{"id":7160,"date":"2020-05-25T12:54:00","date_gmt":"2020-05-25T10:54:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.cailabs.com\/blog\/non-classifiee\/how-is-cailabs-contributing-to-improving-communication-with-satellites\/"},"modified":"2024-04-26T14:15:27","modified_gmt":"2024-04-26T12:15:27","slug":"comment-cailabs-contribue-a-ameliorer-les-communications-avec-des-satellites","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.cailabs.com\/fr\/blog\/aerospatial-et-defense\/comment-cailabs-contribue-a-ameliorer-les-communications-avec-des-satellites\/","title":{"rendered":"Comment cailabs contribue \u00e0 am\u00e9liorer les communications avec des satellites ?"},"content":{"rendered":"\n

Les constellations de satellites permettent le d\u00e9ploiement de r\u00e9seaux de communications hauts d\u00e9bits en espace libre en compl\u00e9ment des r\u00e9seaux fibr\u00e9s. Comme ces derniers, les technologies optiques, sont les seules permettant de garantir les d\u00e9bits n\u00e9cessaires. Dans cet article, nous montrons comment la technologie Cailabs permet d\u2019am\u00e9liorer les liens t\u00e9l\u00e9coms optiques avec satellites.<\/p>\n\n\n\n

L\u2019espace, un horizon pour les r\u00e9seaux de communication<\/h5>\n\n\n\n

On le voit d\u2019autant plus en cette p\u00e9riode de crise sanitaire, les r\u00e9seaux de t\u00e9l\u00e9communications sont devenus centraux pour assurer l\u2019ensemble des usages de notre soci\u00e9t\u00e9. Ils nous permettent d\u2019\u00e9changer avec nos proches, de consulter des m\u00e9decins, de travailler, d\u2019entrer en contact avec des commerces, locaux ou grandes enseignes, de lire les nouvelles, de visiter des mus\u00e9es, d\u2019\u00e9couter de la musique et de pr\u00e9voir (ou non) nos d\u00e9placements pour les vacances. Tous les pans de notre soci\u00e9t\u00e9, de la sant\u00e9, \u00e0 la d\u00e9fense, de la culture \u00e0 l\u2018alimentation, sont d\u00e9sormais num\u00e9ris\u00e9s et utilisent sur les r\u00e9seaux t\u00e9l\u00e9coms.<\/p>\n\n\n\n

Fort de ce constat, deux questions se posent. D\u2019abord, comment garantir une connexion au r\u00e9seau \u00e0 tous alors que 50% des habitants de la plan\u00e8te n\u2019y a toujours pas acc\u00e8s. Ensuite, comment assurer un syst\u00e8me r\u00e9silient, c\u2019est-\u00e0-dire capable \u00e0 surmonter des alt\u00e9rations de son environnement. Selon l\u2019ADEME<\/a>, une donn\u00e9e num\u00e9rique parcoure en moyenne 15 000 km, c\u2019est-\u00e0-dire bien plus que les fronti\u00e8res nationales. Comment assurer un acc\u00e8s aux infrastructures r\u00e9seaux en cas par exemple de catastrophe naturelle, de malveillance ou m\u00eame de conflit<\/a>. On a souvent tendance \u00e0 dire qu\u2019internet est globalement robuste, mais localement vuln\u00e9rable.<\/p>\n\n\n\n

Une des solutions pour r\u00e9pondre \u00e0 ces deux enjeux et qui \u00e9merge gr\u00e2ce au New Space et \u00e0 l\u2019acc\u00e8s facilit\u00e9 \u00e0 l\u2019espace, est d\u2019utiliser des constellations de satellites pour d\u00e9ployer des r\u00e9seaux hauts d\u00e9bits, en compl\u00e9ment des r\u00e9seaux fibr\u00e9s. Pour garantir des d\u00e9bits \u00e9quivalents \u00e0 la fibre optique, il est n\u00e9cessaire d\u2019utiliser, pour ces r\u00e9seaux aussi, des technologies optiques. Nous avons travaill\u00e9 avec le centre spatial Allemand, le DLR, pour montrer comment la technologie Cailabs permet d\u2019am\u00e9liorer ces r\u00e9seaux de communication.<\/p>\n\n\n\n

Une comparaison TILBA\u00ae vs Optique adaptative dans un lien repr\u00e9sentatif GEO<\/h5>\n\n\n\n

Un laboratoire d\u2019expertise internationale<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Le DLR (Deutsches Zentrum f\u00fcr Luft- und Raumfahrt) est le centre de recherche spatial allemand. L\u2019Institut de Navigation et de Communication du DLR<\/a> travaille sur la conception de r\u00e9seaux de communication et notamment sur les technologies de communication laser<\/a>. En particulier, le groupe Technologies Optiques Avanc\u00e9es d\u00e9tient le record de d\u00e9bit pour des liaison optiques en espace libre et est parvenu \u00e0 atteindre des transmissions allant jusqu\u2019\u00e0 13,65 Tb\/s<\/a> dans le cas d\u2019un feeders links (lien montant vers un satellite) repr\u00e9sentatif d\u2019un cas r\u00e9el. Le DLR s\u2019illustre ainsi comme un des experts de liaisons t\u00e9l\u00e9com optiques.<\/p>\n\n\n\n

Utiliser des composants t\u00e9l\u00e9com standards : le d\u00e9fi des communications laser<\/h5>\n\n\n\n

Pour r\u00e9aliser un lien \u00e0 haut d\u00e9bit, il est indispensable d\u2019utiliser des \u00e9quipements t\u00e9l\u00e9coms standards comme des transceivers coh\u00e9rents ou des amplificateurs qui sont disponibles essentiellement sur fibres optiques dites monomodes. Ces composants, qui b\u00e9n\u00e9ficient de la maturit\u00e9 technologique des r\u00e9seaux fibr\u00e9s, sont les seuls qui r\u00e9pondent aux besoins de performance en termes de vitesse, de bruit et de sensibilit\u00e9 tout en restant \u00e9conomiquement comp\u00e9titifs.<\/p>\n\n\n\n

Malheureusement, le ph\u00e9nom\u00e8ne de turbulence atmosph\u00e9rique<\/a>, en modifiant le profil du front d\u2019onde lumineux, d\u00e9t\u00e9riore le couplage dans la fibre optique. La cons\u00e9quence est une d\u00e9gradation du lien optique, c\u2019est-\u00e0-dire une augmentation du nombre d\u2019erreurs et d\u2019interruption du lien. Pour r\u00e9aliser des liaisons haut d\u00e9bit avec des satellites GEO ou LEO, il est donc n\u00e9cessaire de disposer d\u2019un syst\u00e8me de compensation de la turbulence atmosph\u00e9rique permettant de coupler efficacement l\u2019onde incidente perturb\u00e9e dans une fibre optique standards.<\/p>\n\n\n\n

B\u00e9n\u00e9ficiant d\u2019une forte expertise dans les liens montants et plus g\u00e9n\u00e9ralement, dans les transmissions optiques en espace libre, les chercheurs du DLR s\u2019int\u00e9ressent aussi aux liaisons descendantes et aux dispositifs de compensation de la turbulence \u00e0 la r\u00e9ception.<\/p>\n\n\n\n

Dans l\u2019article copubli\u00e9 entre le DLR et Cailabs<\/a>, deux technologies sont compar\u00e9es : d\u2019un c\u00f4t\u00e9 un syst\u00e8me d\u2019optique adaptative standard et de l\u2019autre un TILBA\u00ae-ATMO<\/a> de Cailabs, dans sa premi\u00e8re version, sans recombinaison optique. La scintillation en sortie au niveau du r\u00e9cepteur est \u00e9valu\u00e9e dans les deux cas afin de d\u00e9terminer l\u2019efficacit\u00e9 de compensation de la turbulence.<\/p>\n\n\n\n

Deux technologies pour une m\u00eame fonctionnalit\u00e9<\/h5>\n\n\n\n

L\u2019optique adaptative consiste \u00e0 reformer le front d\u2019onde \u00e0 l\u2019aide d\u2019un miroir d\u00e9formable. La Figure 1 repr\u00e9sente un fonctionnement typique d\u2019optique adaptative. Le signal incident est envoy\u00e9 sur le miroir d\u00e9formable qui corrige les d\u00e9formations du front d\u2019onde<\/a>. Une fraction du signal corrig\u00e9 est envoy\u00e9e vers un analyseur de front d\u2019onde permettant caract\u00e9riser en temps r\u00e9elle la qualit\u00e9 de ce dernier. Enfin, l\u2019autre fraction de lumi\u00e8re est envoy\u00e9e dans la fibre optique vers le r\u00e9cepteur t\u00e9l\u00e9com. Pour cette \u00e9tude, un photod\u00e9tecteur \u00e0 grand champ est aussi utilis\u00e9 pour mesurer l\u2019intensit\u00e9 totale du front d\u2019onde dans le plan focal.<\/p>\n\n\n\n

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Figure 1 : Sch\u00e9ma de principe d’un syst\u00e8me<\/em>
d’optique adaptative standard.<\/em><\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

L\u2019approche TILBA\u00ae-ATMO est diff\u00e9rente bien que sa fonction soit similaire. L\u2019objectif n\u2019est pas de compenser activement le front d\u2019onde, mais plut\u00f4t de collecter l\u2019ensemble de la lumi\u00e8re et de la transformer passivement en des modes utilisables. Une onde lumineuse peut en effet \u00eatre d\u00e9compos\u00e9e sur une base de modes. Dans le cas pr\u00e9sent, nous avons choisi des modes Hermite-Gauss. Le MPLC (Mutli-Plane Light Conversion), technologie au c\u0153ur de TILBA\u00ae-ATMO, permet alors de collecter ces diff\u00e9rents modes de perturbation et de les d\u00e9multiplexer dans autant de fibres monomodes<\/a>. La dynamique de la turbulence existe toujours, mais se traduit par des variations de phase et d\u2019intensit\u00e9 des modes qui eux sont fig\u00e9s. Apr\u00e8s d\u00e9multiplexage, ces variations se traduisent donc par des modifications de phase et d\u2019intensit\u00e9 des signaux respectifs mais dans les fibres monomodes.<\/p>\n\n\n\n

Cette approche passive permet de compenser le d\u00e9phasage dans les fibres plut\u00f4t qu\u2019avec des \u00e9l\u00e9ments m\u00e9caniques qui sont intrins\u00e8quement limit\u00e9s en rapidit\u00e9. Il est \u00e0 noter enfin que l\u2019optique adaptative utilise aussi des bases de modes de phase dans l\u2019analyse de la turbulence, comme des polyn\u00f4mes de Zernike<\/a>. Le MPLC travaille, lui, sur le champs complexe, c\u2019est-\u00e0-dire \u00e0 la fois la phase et l\u2019amplitude<\/a>. <\/p>\n\n\n\n

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Figure 2 : Comparaison entre le fonctionnement de l’OA et du MPLC. L’OA influe directement sur front d’onde en modifiant le trajet optique pour reformer un faisceau Gaussien. L\u2019approche MPLC collecte passivement l\u2019ensemble de la lumi\u00e8re sous forme de modes. Les modes sont transform\u00e9s en gaussienne et envoy\u00e9e dans des fibres monomodes.<\/em><\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
Une exp\u00e9rience repr\u00e9sentative d\u2019un lien GEO descendant<\/h5>\n\n\n\n

L\u2019exp\u00e9rience du DLR a eu lieu entre la station du DLR de Weilhem, faisant office de station sol, et un terminal, repr\u00e9sentant le satellite, situ\u00e9 sur la station m\u00e9t\u00e9o de Hohenpei\u00dfenberg. Les deux sites sont espac\u00e9s de 10.45 km avec une inclinaison d\u2019environ 1.8\u00b0. Ce site, d\u00e9j\u00e0 utilis\u00e9e par le DLR pour plusieurs campagnes de tests, poss\u00e8de des caract\u00e9ristiques de turbulence et de scintillation repr\u00e9sentatif d\u2019un lien GEO vers la terre<\/a>, ce qui en fait un lieu particuli\u00e8rement appr\u00e9ci\u00e9 pour l\u2019\u00e9tude de syst\u00e8mes de communication.<\/p>\n\n\n\n

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Figure 3: Distance et \u00e9l\u00e9vation du lien entre les deux sites<\/em><\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

Le banc exp\u00e9rimental, est repr\u00e9sent\u00e9 en Figure 4. Apr\u00e8s collection par un t\u00e9lescope de 10 cm de diam\u00e8tre d\u2019ouverture, un miroir de tip\/tilt permet de stabiliser le pointage du faisceau. Le signal est alors s\u00e9par\u00e9 en deux fractions \u00e9gales. Une partie du signal est envoy\u00e9es dans le MPLC tandis que l\u2019autre est envoy\u00e9e vers le bloc d\u2019optique adaptative.<\/p>\n\n\n\n

TILBA\u00ae-R<\/strong> :  Le MPLC comporte en entr\u00e9e une fibre few-mode fabriqu\u00e9e par Prysmian de 25 \u00b5m de diam\u00e8tre de c\u0153ur guidant 10 modes. Les modes de la fibre sont d\u00e9multiplex\u00e9s vers 10 fibres monomodes. Dans cette premi\u00e8re version de TILBA, il n\u2019y a pas de dispositif de recombinaison. Chaque fibre monomode est donc connect\u00e9e \u00e0 une photodiodes PIN \u00e0 gain ajustable de chez Thorlabs. Le signal analogique obtenu sur chaque photodiode est sur-\u00e9chantillonn\u00e9 puis somm\u00e9 num\u00e9riquement afin d\u2019obtenir une unique sortie correspondant au signal compens\u00e9 par le TILBA\u00ae.<\/p>\n\n\n\n

Optique adaptative<\/strong> : En parall\u00e8le, l\u2019optique adaptative comporte un miroir d\u00e9formable de 97 actuateurs qui couple le faisceau directement dans une fibre monomode reli\u00e9e \u00e0 une photodiode. Une partie du signal est envoy\u00e9e vers un analyseur de front d\u2019onde de type Shack-Hartmann permettant de piloter le miroir d\u00e9formable, mais aussi d\u2019estimer le param\u00e8tre de Fried. Une cam\u00e9ra \u00e0 large champ permet de mesurer l\u2019intensit\u00e9 du signal dans le plan focal.<\/p>\n\n\n\n

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Figure 4 : Banc exp\u00e9rimental de mesure de la compensation de la turbulence.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
Des performances similaires \u00e0 l\u2019optique adaptative, voire sup\u00e9rieures pour les fortes turbulences.<\/h5>\n\n\n\n

L\u2019optique adaptative et TILBA\u00ae-ATMO ont \u00e9t\u00e9 compar\u00e9es dans trois configurations de turbulences correspondant \u00e0 trois types de scintillation dans le plan focale \u03c3\u00b2 : faibles pour \u03c3\u00b2 < 0.1, moyennes pour 0.1 < \u03c3\u00b2 < 0.3 et fortes pour 0.3 < \u03c3\u00b2. Dans chacun des cas, la scintillation dans le plan du r\u00e9cepteur apr\u00e8s correction a \u00e9t\u00e9 mesur\u00e9e. Plus cette scintillation est faible, plus la correction est efficace et donc meilleures sont les performances.<\/p>\n\n\n\n

Les r\u00e9sultats obtenus sont extr\u00eamement enthousiasmants. Ils montrent que les performances sont \u00e9quivalentes pour TILBA\u00ae-ATMO et le syst\u00e8me l\u2019optique adaptative dans le cas de faible et moyenne turbulence. Surtout, dans les cas de fortes turbulences, qui correspondent exp\u00e9rimentalement \u00e0 la situation o\u00f9 le taux d\u2019erreur et d\u2019interruption du lien est maximum, TILBA\u00ae-ATMO obtient de meilleures performances que l\u2019optique adaptative. La dynamique du capteur de front d\u2019onde est en effet pouss\u00e9e \u00e0 la limite tandis que TILBA-ATMO, \u00e9tant un composant passif, n\u2019est pas sujet \u00e0 ce type de limitation.<\/p>\n\n\n\n

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Faible turbulence<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
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Moyenne turbulence<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
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Forte turbulence<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Figure 5: Comparaison de la scintillation dans les cas de faible (gauche), moyenne (milieu) et forte turbulence entre l\u2019optique adaptative en jaune<\/strong> et TILBA\u00ae-ATMO en bleu<\/strong> dans le plan du r\u00e9cepteur. Plus la scintillation est faible, plus la correction est efficace<\/strong>. Les ronds rouges repr\u00e9sentent la scintillation dans le plan focale qui peut se traduire par une correction parfaite. Les \u00e9toiles noires repr\u00e9sentent le param\u00e8tre de Fried.<\/em><\/em><\/em><\/p>\n\n\n\n

Et quelle suite pour TILBA\u00ae-ATMO ?<\/h5>\n\n\n\n

Les premiers tests r\u00e9alis\u00e9s par NEC<\/a> \u00e0 partir de 2016 \u00e9taient d\u00e9j\u00e0 extr\u00eamement prometteurs. Cependant, si les chercheurs Japonais \u00e9tudiaient un lien plus pouss\u00e9 sur le point de vu t\u00e9l\u00e9com, les exp\u00e9riences ont eu lieu en laboratoire avec une turbulence \u00e9mul\u00e9e. Les tests pr\u00e9sent\u00e9s ici, sont les premiers en conditions r\u00e9elles avec des turbulences repr\u00e9sentatives d\u2019un lien GEO. Surtout cette exp\u00e9rience est la premi\u00e8re qui compare en temps r\u00e9el les performances d\u2019une optique adaptative \u00e0 celle d\u2019un MPLC. Ces mesures montrent la puissance de l\u2019approche TILBA-ATMO.<\/p>\n\n\n\n

Plusieurs questions, inh\u00e9rentes aux syst\u00e8mes de tests, m\u00e9ritent bien s\u00fbr d\u2019\u00eatre approfondies. De prochaines campagnes \u00e9tudieront par exemple l\u2019impact du dispositif de recombinaison permettant une sortie unique sur fibre monomode<\/a>, indispensable pour se comparer compl\u00e8tement \u00e0 une OA. Plusieurs tailles de t\u00e9lescopes pourront aussi \u00eatre envisag\u00e9es, de m\u00eame que diff\u00e9rents nombres de modes pour le MPLC. Enfin, pour valider l\u2019approche TILBA\u00ae-ATMO, Cailabs sera amen\u00e9 \u00e0 tester ses composants sur des liens op\u00e9rationnels avec des satellites.<\/p>\n\n\n\n

Mais les r\u00e9sultats de cet article confortent d\u00e9j\u00e0 la pertinence d\u2019une approche modale passive pour disposer d\u2019un composant sur \u00e9tag\u00e8re de compensation de la turbulence atmosph\u00e9rique.<\/p>\n\n\n\n

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Par David Allioux<\/strong><\/p>\n\n\n\n

David Allioux a obtenu son doctorat en physique \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 de Lyon. Il a rejoint Cailabs en 2018 en tant que Chef de projet et de produits. Il est responsable du d\u00e9veloppement et de l\u2019int\u00e9gration de solutions R&D en t\u00e9l\u00e9communications. Il apporte \u00e9galement son expertise au d\u00e9veloppement et \u00e0 la commercialisation de la gamme de produits d\u00e9di\u00e9e aux communications laser.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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