Enfrentando los desafíos de la comunicación óptica entre el espacio y la Tierra

Cualquiera que tenga una antena parabólica en casa depende de la comunicación por radio entre un satélite geoestacionario y la Tierra. Los servicios satelitales para el consumidor son capaces de transmitir cientos de canales de TV de alta y definición estándar simultáneamente a través de un enlace de RF que es confiable en casi todas las condiciones, excepto en lluvia intensa.

De hecho, la comunicación por radio satelital se usa ampliamente en la industria y el gobierno para transferencias de datos de gran ancho de banda. Pero, ¿qué sucede cuando incluso este ancho de banda no es suficiente? Este es el problema al que se enfrenta la Agencia Espacial Europea (ESA), una institución respaldada por 22 estados miembros europeos, cuya misión es ampliar las fronteras de la ciencia y la tecnología, y promover el crecimiento económico en Europa.

Al igual que en las redes terrestres, el requisito de ancho de banda en las comunicaciones por satélite está aumentando rápidamente y los enlaces de radio pronto no podrán satisfacer la demanda. Esto se debe a que el ancho de banda depende de la frecuencia de la portadora. En las comunicaciones por radio, el límite máximo para las frecuencias portadoras es de alrededor de 30 GHz, mientras que en las comunicaciones ópticas, las frecuencias portadoras son cuatro órdenes de magnitud más altas, con anchos de banda correspondientemente más altos.

Los satélites geoestacionarios del Sistema Europeo de Retransmisión de Datos (EDRS) ya utilizan enlaces ópticos para comunicarse con una constelación de satélites europeos de órbita terrestre baja (LEO) llamados Sentinels, cuyo trabajo es monitorear la Tierra. Sin embargo, los satélites EDRS de hoy utilizan la comunicación por radio para cargar las imágenes de los satélites LEO y otros datos en los servidores terrestres.

Pero en un futuro previsible, la cantidad de información de LEO y los satélites geoestacionarios y las constelaciones de satélites será tan grande que el ancho de banda de sus enlaces de comunicación por radio será demasiado bajo. Entonces, ¿qué viene después?

La comunicación óptica basada en láser es la respuesta obvia, ya que es una técnica que ya se utiliza para transferir datos entre los satélites LEO y la red EDRS. Y la comunicación óptica, que forma la columna vertebral de Internet, es una tecnología probada en la Tierra. Los cables de fibra óptica que corren en el fondo de los océanos y cruzan continentes son el medio a través del cual miles de millones de visitas a las páginas se envían a las pantallas de computadoras y teléfonos inteligentes todos los días.

Por lo tanto, la comunicación a través de fibra óptica es una tecnología probada que ofrece un ancho de banda extraordinariamente alto. Pero las comunicaciones ópticas en el espacio libre entre la Tierra y un satélite, o entre satélites, requieren una tecnología láser especial y un equipo de medición increíblemente preciso.

Las señales ópticas transmitidas entre la Tierra y el espacio están sujetas a interferencias de varias fuentes: la dificultad de mantener un enlace óptico allí es mucho mayor que para la comunicación óptica de satélite a satélite, ya que en el espacio no hay nubes ni otros fenómenos meteorológicos, o de hecho cualquier otro objeto, para interferir con sus señales.

Los sistemas de comunicación óptica deben lograr una relación señal/ruido suficiente para mantener el enlace entre el transmisor y el receptor. En el EDRS de la ESA, las señales se transmiten a una longitud de onda infrarroja especificada con mucha precisión de 1064,625 nm ±11 pm, con una variación casi nula en la longitud de onda máxima. Esto permite que el receptor se fije en la señal de banda estrecha transmitida y elimine las señales de interferencia. Con esta tecnología, el satélite EDRS puede operar incluso cuando el sol está en su línea de visión.

La ESA está implementando tecnología de comunicaciones ópticas de la Tierra al satélite en su estación terrestre óptica (OGS) en la isla española de Tenerife y en el telescopio Aristarchos de 2,2 m en el observatorio Helmos en el Peloponeso en Grecia.

Mantener la longitud de onda exacta del transmisor es una parte fundamental del funcionamiento del sistema Aristarchos. Para lograrlo, la ESA utiliza una disposición compleja en la que el láser transmisor, un llamado oscilador de anillo no plano hecho de granate de itrio y aluminio dopado con neodimio, es bombeado por un diodo láser de 808 nm para generar una salida precisa de 1064,625 nm ±11 pm . Esta precisión de la longitud de onda se controla ajustando la temperatura de funcionamiento del láser transmisor.

La sintonización del láser es una parte críticamente importante de la operación del sistema Aristarchos, asegurando que la salida del láser esté centrada con precisión en la longitud de onda requerida. Esto significa que el equipo de la ESA necesita un método preciso y exacto para medir la longitud de onda de la salida del láser en tiempo real.

En la configuración de prueba de la ESA, el instrumento de medición óptica está conectado al láser oscilador de anillo no plano para muestrear su salida. El requisito es verificar que la longitud de onda máxima esté centrada con precisión en el objetivo, 1064,625 nm ±11 pm.

La medición de los sistemas de comunicaciones ópticas generalmente se realiza utilizando un analizador de espectro óptico (OSA), un instrumento altamente preciso y confiable que analiza la longitud de onda óptica, entre otros factores.

Los OSA como el AQ6370D de Yokogawa Test & Measurement Corporation, Tokio, Japón, logran una precisión de medición de longitud de onda de ±10 pm a una longitud de onda de referencia de 1550 nm y ±100 pm a 1064,625 nm. Aunque esto es muy preciso, todavía no es lo suficientemente preciso para satisfacer las demandas de la instalación de Aristarchos.

Zoran Sodnik es el gerente de tecnología de comunicaciones ópticas en la dirección de aplicaciones integradas y telecomunicaciones de la ESA. Es el responsable del sistema de comunicaciones ópticas instalado con el telescopio Aristarchos. Dijo Sodnik: "El EDRS opera a frecuencias medidas en múltiplos de terahercios y las longitudes de onda del transmisor y el receptor no tienen una diferencia de más de 28 gigahercios. Esto significa que la frecuencia del láser debe establecerse con precisión de gigahercios y luego medirse con el mismo nivel de precisión y exactitud."

En colaboración con Simac Electronics, un proveedor de tecnologías de medición y conectividad con sede en los Países Bajos, la ESA seleccionó un medidor de longitud de onda óptico especializado, el AQ6151B de Yokogawa. El instrumento utiliza un interferómetro de Michelson, capaz de medir la longitud de onda con mucha precisión. Su precisión se especifica en ±0,2 ppm. La instalación de Aristarchos utiliza la versión Wide Range, que cubre longitudes de onda desde 900 nm hasta 1700 nm. También tiene la capacidad de adquirir, analizar y transferir una medida a una PC en 0,2 segundos con sus funciones de análisis integradas. Además de una alta precisión, el instrumento puede realizar mediciones simultáneas de hasta 1024 longitudes de onda y puede manejar una potencia de señal de entrada tan baja como -40 dBm.

La instalación en el observatorio Helmos es parte de un proyecto a largo plazo para construir la capacidad de comunicaciones ópticas de la ESA para comunicaciones tierra-satélite. La instalación en el telescopio Aristarchos utiliza la precisión de ±0,2 ppm del AQ6151B para sintonizar la salida del láser. Eventualmente, respaldado por la precisión de la tecnología de Yokogawa, se prevé que las comunicaciones ópticas podrían hacerse cargo del tráfico de alto ancho de banda de los sistemas de comunicación por radio.

Según Sodnik, la ESA espera que la transmisión óptica pueda asumir la carga de manejar el tráfico de alto ancho de banda, reemplazando la comunicación por radio como el medio principal para enviar y recibir datos de los satélites.

Este artículo fue escrito por Kelvin Hagebeuk, gerente de marketing, prueba y medición, Yokogawa Europe BV. Para obtener más información, visite aquí.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de septiembre de 2022 de la revista Photonics & Imaging Technology.

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