宇宙から地球への光通信の課題に対応

自宅にパラボラアンテナを持っている人は誰でも、静止衛星と地球の間の無線通信に依存しています。 消費者向け衛星サービスは、大雨を除くほぼすべての状況で信頼性の高い RF リンクを介して、数百のチャンネルの高解像度テレビと標準解像度テレビを同時に放送できます。

実際、衛星無線通信は、高帯域幅のデータ転送のために産業界や政府機関で広く使用されています。 しかし、この帯域幅でも十分ではない場合はどうなるのでしょうか? これは、欧州加盟 22 か国が支援する機関である欧州宇宙機関 (ESA) が直面している問題であり、その使命は科学と技術の最前線を押し広げ、欧州の経済成長を促進することです。

地上ネットワークと同様に、衛星通信でも帯域幅の要件が急速に増加しており、無線リンクではすぐにその需要を満たすことができなくなります。 これは、帯域幅が搬送周波数に依存するためです。 無線通信では、キャリア周波数の上限は約 30 GHz ですが、光通信では、キャリア周波数は 4 桁高く、それに応じて帯域幅も広くなります。

欧州データ中継システム (EDRS) の静止衛星は、すでに光リンクを使用して、センチネルと呼ばれる欧州低軌道 (LEO) 衛星群と通信しています。センチネルの役割は地球を監視することです。 しかし、現在の EDRS 衛星は、無線通信を使用して LEO 衛星の画像やその他のデータを地上サーバーにアップロードします。

しかし、近い将来、LEO、静止衛星、衛星群からの情報量が非常に多くなり、その無線通信リンクの帯域幅が狭くなりすぎるでしょう。 それで、次に何が起こるでしょうか？

光レーザーベースの通信は、LEO 衛星と EDRS ネットワーク間のデータ転送にすでに使用されている技術であるため、明らかな答えです。 そして、インターネットのバックボーンを形成する光通信は、地球上で実証済みのテクノロジーです。 海の底を張り大陸を横断する光ファイバー ケーブルは、毎日何十億ものページビューがコンピューターやスマートフォンの画面に表示される媒体です。

したがって、光ファイバーによる通信は、非常に高い帯域幅を提供する実証済みのテクノロジーです。 しかし、地球と衛星の間、または衛星間の自由空間における光通信には、特別なレーザー技術と、信じられないほど正確な測定機器が必要です。

地球と宇宙の間で送信される光信号は、さまざまな原因からの干渉を受けます。宇宙では雲やその他の気象現象が存在しないため、光リンクを維持することは衛星間の光通信よりもはるかに困難です。実際、他の物体はその信号を妨害します。

光通信システムは、送信機と受信機間のリンクを維持するために十分な信号対雑音比を達成する必要があります。 ESA の EDRS では、信号は非常に正確に指定された 1064.625 nm ±11 pm の赤外線波長で送信され、ピーク波長の変動はほぼゼロです。 これにより、受信機は送信された狭帯域信号を追跡し、干渉信号を排除することができます。 この技術により、EDRS衛星は太陽が目に入っても運用できるようになりました。

ESA は、スペインのテネリフェ島にある光地上局 (OGS) と、ギリシャのペロポネソス半島のヘルモス天文台にあるアリスタルコス 2.2m 望遠鏡に、地球と衛星間の光通信技術を導入しています。

送信機の波長を正確に維持することは、アリスタルコス システムの動作の重要な部分です。 これを達成するために、ESA は複雑な配置を採用しており、送信レーザー (ネオジムをドープしたイットリウム アルミニウム ガーネットで作られたいわゆる非平面リング発振器) が 808 nm レーザー ダイオードによって励起されて、正確な 1064.625 nm ±11 pm 出力を生成します。 。 この波長の精度は、送信レーザーの動作温度を調整することによって制御されます。

レーザーの調整は Aristarchos システムの動作の非常に重要な部分であり、レーザーの出力が必要な波長の中心に正確に来るようにします。 これは、ESA チームがレーザー出力の波長をリアルタイムで測定する正確かつ正確な方法を必要としていることを意味します。

ESA のテスト設定では、光学測定機器が非平面リング発振器レーザーに接続され、その出力をサンプリングします。 要件は、ピーク波長が正確にターゲットの中心 (1064.625 nm ±11 pm) にあることを検証することです。

光通信システムの測定は、通常、光スペクトル アナライザ (OSA) を使用して実行されます。OSA は、光の波長などを分析する高精度で信頼性の高い機器です。

横河テスト＆メジャメント株式会社（東京）の AQ6370D などの OSA は、1550 nm の基準波長で ±10 pm、1064.625 nm で ±100 pm の波長測定精度を達成します。 これは非常に正確ですが、Aristarchos インストールの要求を満たすにはまだ十分な精度ではありません。

Zoran Sodnik は、ESA の電気通信および統合アプリケーション部門の光通信技術マネージャーです。 彼は、アリスタルコス望遠鏡に設置された光通信システムの責任者です。 ソドニク氏は、「EDRSはテラヘルツの倍数で測定される周波数で動作し、送信機と受信機の波長の間隔は28ギガヘルツ以下です。これは、レーザーの周波数をギガヘルツの精度で設定し、同じレベルの周波数で測定する必要があることを意味します」と述べた。精度と正確さ。」

ESA は、オランダを拠点とする接続および測定技術のサプライヤーである Simac Electronics と協力して、横河電機の専門の光波長計 AQ6151B を選択しました。 この機器は、波長を非常に正確に測定できるマイケルソン干渉計を使用しています。 その精度は±0.2 ppmで指定されています。 Aristarchos のインストールでは、900 nm ～ 1700 nm の波長をカバーする Wide Range バージョンを使用しています。 また、内蔵の分析機能により、0.2 秒以内に測定値を取得、分析し、PC に転送する機能も備えています。 この機器は高精度であるだけでなく、最大 1024 波長の同時測定を実行でき、-40 dBm という低い入力信号パワーを処理できます。

ヘルモス天文台への設置は、地上と衛星間の通信のための ESA の光通信能力を構築する長期プロジェクトの一環です。 アリスタルコス望遠鏡の設置では、AQ6151B の ±0.2 ppm 精度を使用してレーザー出力を調整しています。 最終的には、横河技術の精度を背景に、光通信が無線通信システムの高帯域幅トラフィックを引き継ぐことができると予想されています。

ソドニク氏によると、ESAは光伝送が高帯域幅のトラフィックを処理する負担を引き受け、衛星からデータを送受信する主要な手段として無線通信に取って代わられる可能性があると予想している。

この記事は、YOKOGAWA Europe BV テスト＆メジャメントのマーケティング マネージャー、Kelvin Hagebeuk によって執筆されました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Photonics & Imaging Technology Magazine の 2022 年 9 月号に初めて掲載されました。

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