Systèmes de liaisons spatiales par lasers

Abstract

Dans le domaine spatial, on peut considerer que l’optique est en situation de concurrencer les liaisons radiofrequences dans plusieurs domaines d’application. En premier, les immenses besoins en hauts debits (missions de teledetection spatiale : observation ou imagerie spectrale a haute resolution, arrivee du multimedia, developpement des liaisons telephoniques portables, television numerique a haute definition...), seront satisfaits par des reseaux de satellites en orbite basse (LEO, « low earth orbiting ») et communiquant entre eux par des liaisons optiques a tres hauts debits (superieurs a plusieurs gigabits par seconde) et vers le sol par voie radiofrequence. Ensuite, d’autres echanges peuvent etre necessaires entre les orbites basses (LEO) et geostationnaire (GEO, « geostationnary earth orbiting »). C’est le cas de la liaison Silex (LEO) embarquee sur le satellite Spot 4 (lance en 1998) et devant communiquer avec le futur satellite Artemis (GEO) dont le lancement est prevu en 2001. Enfin, la grande directivite du faisceau laser (grand gain d’antenne) sera mise a profit pour des liaisons lointaines : sondes orbitant autour des planetes du systeme solaire et liees avec la Terre (ou un satellite geostationnaire qui joue un role de relais). Des etudes importantes sont engagees dans ce domaine par la NASA (Jet Propulsion Laboratory). D’autres applications sont encore envisageables : liaisons intrasatellites, transmission de signaux d’horloges (synchronisation), positionnement precis de bras d’interferometres, communications directes avec le sol tres localisees. Il s’agit dans tous ces cas, d’utiliser un faisceau laser tres bien stabilise (en position angulaire ou en frequence). Pour ces missions, au debit de plus en plus eleve, les radiofrequences actuelles (K u ou K a , de 11 a 30 GHz), vont poser des problemes : pour assurer un gain suffisant, les diametres des antennes devront atteindre de tres grandes dimensions, d’ou un encombrement important, des difficultes d’implantation sur un satellite et des perturbations dynamiques qui conduiront a des defauts de stabilisation lors de la manœuvre de ces antennes. On a donc recours aux frequences optiques, correspondant a des longueurs d’onde de l’ordre de 1 µm. Leur interet decoule de la tres haute frequence de la porteuse : le faisceau lumineux emis par le laser et collimate par une antenne est d’autant plus directif que la frequence optique est elevee (ou la longueur d’onde petite). Le diametre d de la zone eclairee par un faisceau laser, a la longueur d’onde λ, collimate par une lentille de diametre D, a la distance L, et correspondant au premier lobe de diffraction, est donne par la relation d = 2,44 λL/D (cas simplifie d’une pupille uniformement eclairee). Sur la figure  1 , le satellite en orbite basse (LEO) envoie un rayonnement vers le satellite en orbite geostationnaire (GEO). La diffraction elargit la zone eclairee. Le tableau  1 donne la dimension des taches en optique et en radiofrequence (bande K a ) a une distance L de 45 000 km. A puissance emise constante, l’eclairement est proportionnel a 1/ λ 2 . Pour un signal de detection correspondant a un rapport signal sur bruit donne, on peut reduire les diametres des antennes de reception dans le rapport 1/ λ 2 , ce qui permet de diminuer l’inertie des pieces en mouvement. Le controle d’attitude du satellite s’en trouve donc simplifie. Par contre, un tres grand gain d’antenne necessite un pointage tres precis, de l’ordre du microradian (le lobe de diffraction d’une antenne de 250 mm de diametre a la longueur d’onde de 0,85 µm est de ± 4,15 µrad ; l’ordre de grandeur de la stabilite du faisceau est du dixieme de cette valeur). Une petite erreur de visee, due a un mesalignement ou a un defaut de stabilite du satellite, conduit a une chute d’eclairement. Il faut donc asservir les positions angulaires des deux terminaux a mieux que cette valeur.