Bewältigung der Herausforderungen für die optische Kommunikation zwischen Weltraum und Erde

Wer zu Hause eine Satellitenschüssel hat, ist auf die Funkkommunikation zwischen einem geostationären Satelliten und der Erde angewiesen. Verbrauchersatellitendienste sind in der Lage, Hunderte von HD- und Standard-Definition-TV-Kanälen gleichzeitig über eine HF-Verbindung zu übertragen, die unter fast allen Bedingungen außer bei starkem Regen zuverlässig ist.

Tatsächlich wird die Satellitenfunkkommunikation in Industrie und Regierung häufig für die Datenübertragung mit hoher Bandbreite genutzt. Doch was passiert, wenn selbst diese Bandbreite nicht ausreicht? Vor diesem Problem steht die Europäische Weltraumorganisation (ESA), eine von 22 europäischen Mitgliedsstaaten getragene Institution, deren Aufgabe es ist, die Grenzen von Wissenschaft und Technologie zu verschieben und das Wirtschaftswachstum in Europa zu fördern.

Ebenso wie in terrestrischen Netzen steigt der Bedarf an Bandbreite in der Satellitenkommunikation rasant und Funkverbindungen werden den Bedarf bald nicht mehr decken können. Dies liegt daran, dass die Bandbreite von der Trägerfrequenz abhängt. In der Funkkommunikation liegt die Obergrenze für Trägerfrequenzen bei etwa 30 GHz, während in der optischen Kommunikation die Trägerfrequenzen vier Größenordnungen höher liegen, mit entsprechend höheren Bandbreiten.

Die geostationären Satelliten des European Data Relay System (EDRS) kommunizieren bereits über optische Verbindungen mit einer Konstellation europäischer Low Earth Orbit (LEO)-Satelliten namens Sentinels, deren Aufgabe es ist, die Erde zu überwachen. Allerdings nutzen die EDRS-Satelliten heute Funkkommunikation, um die Bilder und andere Daten der LEO-Satelliten auf terrestrische Server hochzuladen.

Doch in absehbarer Zeit wird die Menge an Informationen von LEO und geostationären Satelliten und Satellitenkonstellationen so groß werden, dass die Bandbreite seiner Funkkommunikationsverbindungen zu gering sein wird. Was kommt also als nächstes?

Die optische, laserbasierte Kommunikation ist die offensichtliche Antwort, da es sich um eine Technik handelt, die bereits zur Datenübertragung zwischen den LEO-Satelliten und dem EDRS-Netzwerk eingesetzt wird. Und die optische Kommunikation, die das Rückgrat des Internets bildet, ist eine bewährte Technologie auf der Erde. Die Glasfaserkabel, die am Grund der Ozeane verlaufen und Kontinente durchqueren, sind das Medium, über das täglich Milliarden von Seitenaufrufen auf Computer- und Smartphone-Bildschirmen übermittelt werden.

Die Kommunikation über Glasfaser ist also eine bewährte Technologie, die eine außerordentlich hohe Bandbreite bietet. Aber die optische Kommunikation im freien Raum zwischen der Erde und einem Satelliten oder zwischen Satelliten erfordert spezielle Lasertechnologie – und eine unglaublich genaue Messausrüstung.

Optische Signale, die zwischen der Erde und dem Weltraum übertragen werden, unterliegen Störungen aus verschiedenen Quellen – die Schwierigkeit, eine optische Verbindung aufrechtzuerhalten, ist dort weitaus größer als bei der optischen Kommunikation von Satellit zu Satellit, da es im Weltraum keine Wolken oder andere Wetterphänomene gibt in der Tat alle anderen Objekte, um deren Signale zu stören.

Optische Kommunikationssysteme müssen ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis erreichen, um die Verbindung zwischen Sender und Empfänger aufrechtzuerhalten. Im EDRS der ESA werden Signale bei einer sehr genau spezifizierten Infrarotwellenlänge von 1064,625 nm ±11 pm übertragen, wobei die Peakwellenlänge nahezu keine Varianz aufweist. Dadurch kann sich der Empfänger auf das übertragene Schmalbandsignal fokussieren und Störsignale eliminieren. Mit dieser Technologie kann der EDRS-Satellit auch dann betrieben werden, wenn die Sonne in seiner Sichtlinie ist.

Die ESA implementiert optische Erde-Satelliten-Kommunikationstechnologie in ihrer optischen Bodenstation (OGS) auf der spanischen Insel Teneriffa und am Aristarchos 2,2-m-Teleskop am Helmos-Observatorium auf dem Peloponnes in Griechenland.

Die Einhaltung der exakten Senderwellenlänge ist ein entscheidender Teil des Betriebs des Aristarchos-Systems. Um dies zu erreichen, verwendet die ESA eine komplexe Anordnung, bei der der Senderlaser, ein sogenannter nichtplanarer Ringoszillator aus Neodym-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat, von einer 808-nm-Laserdiode gepumpt wird, um eine genaue Ausgabe von 1064,625 nm ±11 PM zu erzeugen . Diese Genauigkeit der Wellenlänge wird durch die Einstellung der Betriebstemperatur des Senderlasers gesteuert.

Die Abstimmung des Lasers ist ein äußerst wichtiger Teil des Betriebs des Aristarchos-Systems und stellt sicher, dass die Laserleistung genau auf die erforderliche Wellenlänge zentriert ist. Das bedeutet, dass das ESA-Team eine präzise und genaue Methode zur Messung der Wellenlänge der Laserleistung in Echtzeit benötigt.

Im Testaufbau der ESA ist das optische Messgerät mit dem nichtplanaren Ringoszillatorlaser verbunden, um dessen Ausgabe abzutasten. Die Anforderung besteht darin, sicherzustellen, dass die Spitzenwellenlänge genau auf das Ziel zentriert ist, 1064,625 nm ±11 Uhr.

Die Messung optischer Kommunikationssysteme erfolgt üblicherweise mit einem optischen Spektrumanalysator (OSA), einem hochpräzisen und zuverlässigen Instrument, das unter anderem die optische Wellenlänge analysiert.

OSAs wie der AQ6370D von Yokogawa Test & Measurement Corporation, Tokio, Japan, erreichen eine Wellenlängenmessgenauigkeit von ±10 µm bei einer Referenzwellenlänge von 1550 nm und ±100 µm bei 1064,625 nm. Obwohl dies sehr genau ist, ist es immer noch nicht genau genug, um den Anforderungen der Aristarchos-Installation gerecht zu werden.

Zoran Sodnik ist Manager für optische Kommunikationstechnologie in der Direktion für Telekommunikation und integrierte Anwendungen der ESA. Er ist verantwortlich für das optische Kommunikationssystem, das mit dem Aristarchos-Teleskop installiert wurde. Sodnik sagte: „Das EDRS arbeitet mit Frequenzen, die in Vielfachen von Terahertz gemessen werden, und die Wellenlängen des Senders und des Empfängers liegen nicht mehr als 28 Gigahertz auseinander. Das bedeutet, dass die Frequenz des Lasers mit Gigahertz-Präzision eingestellt und dann mit der gleichen Frequenz gemessen werden muss.“ Präzision und Genauigkeit."

In Zusammenarbeit mit Simac Electronics, einem in den Niederlanden ansässigen Anbieter von Konnektivitäts- und Messtechnologien, entschied sich die ESA für ein spezielles optisches Wellenlängenmessgerät, das AQ6151B von Yokogawa. Das Instrument verwendet ein Michelson-Interferometer, das die Wellenlänge sehr genau messen kann. Seine Genauigkeit wird mit ±0,2 ppm angegeben. Die Aristarchos-Installation verwendet die Wide Range-Version, die Wellenlängen von 900 nm bis 1700 nm abdeckt. Dank der integrierten Analysefunktionen ist es außerdem in der Lage, eine Messung innerhalb von 0,2 Sekunden zu erfassen, zu analysieren und an einen PC zu übertragen. Neben der hohen Genauigkeit kann das Instrument gleichzeitige Messungen von bis zu 1024 Wellenlängen durchführen und eine Eingangssignalleistung von nur -40 dBm verarbeiten.

Die Installation am Helmos-Observatorium ist Teil eines langfristigen Projekts zum Aufbau der optischen Kommunikationsfähigkeit der ESA für die Boden-Satelliten-Kommunikation. Die Installation am Aristarchos-Teleskop nutzt die Genauigkeit von ±0,2 ppm des AQ6151B, um die Laserleistung abzustimmen. Gestützt auf die Genauigkeit der Yokogawa-Technologie wird erwartet, dass die optische Kommunikation schließlich den hochbandigen Datenverkehr von Funkkommunikationssystemen ersetzen könnte.

Laut Sodnik geht die ESA davon aus, dass die optische Übertragung die Last der Verarbeitung von Verkehr mit hoher Bandbreite übernehmen und die Funkkommunikation als primäres Mittel zum Senden und Empfangen von Daten von Satelliten ersetzen könnte.

Dieser Artikel wurde von Kelvin Hagebeuk, Marketing Manager – Test & Measurement, Yokogawa Europe BV, verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Septemberausgabe 2022 des Photonics & Imaging Technology Magazine.

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