{"id":7388,"date":"2024-02-29T09:40:00","date_gmt":"2024-02-29T08:40:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.cailabs.com\/blog\/non-classifiee\/exceeding-throughput-limits-with-laser-communications\/"},"modified":"2024-04-26T14:10:03","modified_gmt":"2024-04-26T12:10:03","slug":"depasser-les-limites-de-debit-grace-aux-communications-laser","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.cailabs.com\/fr\/blog\/aerospatial-et-defense\/depasser-les-limites-de-debit-grace-aux-communications-laser\/","title":{"rendered":"D\u00e9passer les limites de d\u00e9bit gr\u00e2ce aux communications laser"},"content":{"rendered":"\n
Introduction<\/strong><\/h5>\n\n\n\n

\u00c0 l’\u00e8re moderne, le d\u00e9bit des transmissions est devenu la pierre angulaire de notre monde interconnect\u00e9. La demande croissante en d\u00e9bit est omnipr\u00e9sente, et les applications reposant sur les communications satellitaires, qui sont au c\u0153ur de cet article, y contribuent grandement. Les communications par radiofr\u00e9quence (RF), traditionnellement utilis\u00e9es pour les liaisons entre les satellites et la Terre, atteignent d\u00e9sormais leurs limites en termes de capacit\u00e9. C’est dans ce contexte que la technologie des communications laser \u00e9merge comme une solution capable de relever les d\u00e9fis li\u00e9s au d\u00e9bit. Cet article marque le d\u00e9but d’une s\u00e9rie de trois articles explorant les avantages des communications laser par rapport aux solutions de transmission actuelles. Dans ce premier volet, nous mettrons en lumi\u00e8re l’avantage consid\u00e9rable en termes de d\u00e9bit offert par les communications laser.<\/p>\n\n\n\n

Besoin actuel en d\u00e9bit et limites<\/strong><\/h5>\n\n\n\n

Les domaines critiques n\u00e9cessitant un d\u00e9bit \u00e9lev\u00e9 :<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Aujourd’hui, la demande en d\u00e9bit augmente constamment, stimul\u00e9e par des applications g\u00e9n\u00e9rant d\u2019\u00e9normes quantit\u00e9s de donn\u00e9es et n\u00e9cessitant des transferts en temps r\u00e9el. Dans le secteur des communications satellitaires, de tels crit\u00e8res sont indispensables \u00e0 diverses activit\u00e9s critiques comme l’observation de la Terre, les t\u00e9l\u00e9communications satellitaires, le relais de donn\u00e9es via les constellations de data relay ainsi que le transfert de donn\u00e9es vers le cloud, mais \u00e9galement pour des applications militaires telles que les bulles de communications navales et a\u00e9roport\u00e9es ainsi que scientifiques avec l’exploration spatiale (Deep Space).<\/p>\n\n\n\n

Pourquoi la demande en d\u00e9bit augmente dans ces secteurs :<\/strong><\/p>\n\n\n\n

L’essor de l’observation de la Terre, propuls\u00e9 par la mont\u00e9e en puissance des satellites et des cam\u00e9ras hyperspectrales, g\u00e9n\u00e8re une abondance d’images n\u00e9cessitant des transferts rapides vers la Terre. Comme le souligne la NASA : \u201cAs science instruments evolve to capture high-definition data like 4K video, missions will need expedited ways to transmit information to Earth\u201d.<\/p>\n\n\n\n

Du c\u00f4t\u00e9 de la d\u00e9fense, l\u2019essor du combat collaboratif avec fusion de donn\u00e9es n\u00e9cessite une large bande passante pour interconnecter les acteurs afin qu\u2019ils tirent parti des donn\u00e9es acquises sur le terrain.<\/p>\n\n\n\n

Simultan\u00e9ment, le transfert massif de donn\u00e9es vers le cloud s’est impos\u00e9 comme la norme pour de nombreuses entreprises, exigeant des connexions ultrarapides pour stocker, g\u00e9rer et analyser d’\u00e9normes volumes d’informations.<\/p>\n\n\n\n

Dans le secteur des t\u00e9l\u00e9communications, les feeder links spatiaux jouent un r\u00f4le essentiel en acheminant une grande quantit\u00e9 de donn\u00e9es vers l’espace, en vue d’une distribution simultan\u00e9e du signal vers de multiples utilisateurs. Cette approche est d\u00e9ploy\u00e9e par des op\u00e9rateurs de t\u00e9l\u00e9vision et des fournisseurs de services Internet par satellite. Elle n\u00e9cessite de d\u00e9ployer des liens montants ultra haute capacit\u00e9.<\/p>\n\n\n\n

La multiplication des satellites data relay permet le transfert massif de donn\u00e9es en temps r\u00e9el entre divers points du globe. Cette connectivit\u00e9 est amplifi\u00e9e par les liaisons inter-satellitaires optiques qui propulsent des d\u00e9bits encore plus \u00e9lev\u00e9s \u00e0 travers les constellations. Le relais de donn\u00e9es n\u00e9cessite des liens bidirectionnels ultra haute capacit\u00e9 pour transf\u00e9rer de telles capacit\u00e9s de donn\u00e9es.<\/p>\n\n\n\n

Cette diversit\u00e9 d’applications n\u00e9cessitant du haut d\u00e9bit souligne la n\u00e9cessit\u00e9 de trouver des solutions pour r\u00e9pondre au besoin croissant en mati\u00e8re de transmission de donn\u00e9es.<\/p>\n\n\n\n

Pourquoi aujourd\u2019hui les satcoms ne sont plus capables de r\u00e9pondre \u00e0 la demande :<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Traditionnellement, les satellites ont recours aux radiofr\u00e9quences (RF) pour leurs liaisons avec la Terre. Toutefois, les RF pr\u00e9sentent des limites structurelles en termes de bande passante plafonnant g\u00e9n\u00e9ralement \u00e0 512Mbps voire 1 Gbps au maximum.<\/p>\n\n\n\n

Confront\u00e9s \u00e0 cette limitation, les acteurs du secteur spatial cherchent activement des solutions de connectivit\u00e9 capables de r\u00e9pondre \u00e0 leurs besoins en tr\u00e8s haut d\u00e9bit. C’est dans ce contexte que les communications laser \u00e9mergent comme une r\u00e9ponse aux exigences grandissantes de la soci\u00e9t\u00e9 moderne en mati\u00e8re de bande passante.<\/p>\n\n\n\n

Comment l\u2019optique r\u00e9pond aux d\u00e9fis actuels<\/strong><\/h5>\n\n\n\n

Les avantages des communications laser :<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Les communications laser reposent sur la propagation de la lumi\u00e8re dans l’espace libre, offrant des avantages cl\u00e9s tels que la faible latence<\/strong>, la furtivit\u00e9 <\/strong>(Low probability of Detection), la faible probabilit\u00e9 de brouillage et d\u2019interception<\/strong> (Low probability of Interception), mais surtout une capacit\u00e9 \u00e0 fournir un tr\u00e8s haut d\u00e9bit<\/strong>, d\u00e9passant les 10 Gbps<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

Les communications laser tirent profit de d\u00e9cennies de d\u00e9veloppement dans le domaine des t\u00e9l\u00e9communications terrestres fibr\u00e9es. Ces d\u00e9veloppements ont engendr\u00e9 des \u00e9conomies d’\u00e9chelle sur les composants optiques tout en ouvrant la voie \u00e0 l’exploitation de technologies optiques avanc\u00e9es, notamment les amplificateurs optiques dop\u00e9s \u00e0 l’Erbium (EDFA). Ces amplificateurs permettent des transmissions sur de tr\u00e8s longues distances sans conversion, tandis que les formats de modulation coh\u00e9rents maximisent la distance et la capacit\u00e9 de transmission, facilitant ainsi le tr\u00e8s haut d\u00e9bit. En outre, les communications laser sont \u00e9galement compatibles avec l’infrastructure de fibre terrestre, profitant ainsi de la continuit\u00e9 d’un r\u00e9seau de communication d\u00e9j\u00e0 bien \u00e9tabli et rentable.<\/p>\n\n\n\n

Les communications optiques permettent d\u2019atteindre des d\u00e9bits sup\u00e9rieurs \u00e0 10Gbps d\u00e9passant ainsi les contraintes de d\u00e9bits des m\u00e9thodes de transmission sans fil actuelles. Par comparaison, les communications RF plafonnent g\u00e9n\u00e9ralement \u00e0 environ 1 Gbps. Pour donner un exemple concret, le t\u00e9l\u00e9chargement de 1 To de donn\u00e9es d\u2019observation terrestre via RF \u00e0 un d\u00e9bit (estimation \u00e9lev\u00e9e typique) de 512Mbps prendrait plus de 4 heures. Tandis qu\u2019avec les communications laser ces m\u00eames 1To <\/strong>de donn\u00e9es pourraient \u00eatre t\u00e9l\u00e9charg\u00e9s en moins de 14 minutes avec un d\u00e9bit de 10Gbps <\/strong>et le temps d\u2019acheminement des donn\u00e9es au sol diminue drastiquement si l\u2019on est \u00e0 100Gbps <\/strong>avec moins de 2min.<\/p>\n\n\n\n

En outre, les communications optiques sont intrins\u00e8quement exemptes des limitations de spectre<\/strong>, \u00e9vitant ainsi les interf\u00e9rences avec d’autres signaux et les contraintes de licences d’exploitation.<\/p>\n\n\n\n

Les d\u00e9monstrations et initiatives de communications laser<\/strong><\/h5>\n\n\n\n

Des exemples concrets de d\u00e9bits \u00e9lev\u00e9s r\u00e9alis\u00e9s avec les communications laser :<\/strong><\/p>\n\n\n\n

En 2023 les d\u00e9monstrations de liens espace-sol se sont multipli\u00e9es. En avril, la NASA \u00e9tablit un lien laser depuis sa charge utile optique TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) vers la Terre, atteignant un d\u00e9bit de 200 gigabits par seconde. Ce lien optique a permis de transf\u00e9rer 3,6 t\u00e9raoctets de donn\u00e9es vers la Terre en seulement 6 minutes. En comparaison, le t\u00e9lescope James Webb, \u00e0 la pointe de la technologie moderne, transmet environ 57,2 giga-octets de donn\u00e9es scientifiques par jour \u00e0 un d\u00e9bit maximal de 28 m\u00e9gabits par seconde en utilisant les radiofr\u00e9quences.<\/p>\n\n\n\n

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\"Space<\/picture>
Space-to-Ground Laser Comms Link Demonstration on April 28th, NASA<\/strong>: https:\/\/www.nasa.gov\/centers-and-facilities\/ames\/nasa-partners-achieve-fastest-space-to-ground-laser-comms-link\/<\/a><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

En Europe, le satellite PIXL-1 a r\u00e9alis\u00e9 une d\u00e9monstration de liaison laser descendante de 100Mbps entre le terminal optique OSIRIS4CubeSat, cod\u00e9velopp\u00e9 par le German Aerospace Center (DLR) et TESAT-Spacecom, et la station sol optique Oberpfaffenhofen install\u00e9e sur le toit du DLR.<\/p>\n\n\n\n

En octobre, la soci\u00e9t\u00e9 chinoise Changguang Satellite Technology (CGST) a effectu\u00e9 une d\u00e9monstration de liaison laser bidirectionnelle \u00e0 un d\u00e9bit de 10 Gbps entre le satellite Jilin-1 et son Optical Ground Station (OGS).<\/p>\n\n\n\n

Parall\u00e8lement, depuis 2016, le projet optique d’envergure European Data Relay Satellite System (EDRS) fait ses preuves. Mis en \u0153uvre par l’ESA et la Commission europ\u00e9enne, avec la composante SpaceDataHighway op\u00e9r\u00e9e par Airbus, l’EDRS assure la transmission de donn\u00e9es entre les satellites LEO et la Terre via des n\u0153uds GEO. La connexion inter satellitaire optique fonctionne \u00e0 1,8 Gbps, compl\u00e9t\u00e9e par des liens RF en bande KA \u00e0 300 Mbps. En 2019, SpaceDataHighway a enregistr\u00e9 plus de 25 000 connexions laser r\u00e9ussies au cours de ses trois premi\u00e8res ann\u00e9es d’exploitation courante, avec un taux de fiabilit\u00e9 de 99,4%, permettant la transmission de 1 500 t\u00e9raoctets de donn\u00e9es.<\/p>\n\n\n\n

En mai 2023, Airbus a conduit avec succ\u00e8s une campagne de tests de transmission optique de donn\u00e9es espace-sol entre les n\u0153uds GEO EDRS-C et la station sol optique T-AOGS (Transportable Adaptive Optical Ground Station), d\u00e9tenue par le DLR et TESAT. Cette campagne a \u00e9tabli 66 liens, cumulant 316 minutes de communication et la transmission de 3,6 To de donn\u00e9es.<\/p>\n\n\n\n

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\"Flight<\/picture>
Mod\u00e8le de vol du terminal laser d’OSIRIS4CubeSat, DLR (CC BY-NC-ND 3.0)<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

Ces d\u00e9monstrations confirment la faisabilit\u00e9 technique des liaisons laser espace-sol ainsi que la disponibilit\u00e9 de la technologie n\u00e9cessaire pour les r\u00e9aliser. En effet, aujourd’hui, ces d\u00e9monstrations ne se limitent plus \u00e0 de simples exp\u00e9rimentations, mais proviennent d\u00e9sormais d’initiatives, enti\u00e8rement ou partiellement industrielles, utilisant des terminaux optiques pr\u00eats \u00e0 \u00eatre commercialis\u00e9s.<\/p>\n\n\n\n

En effet, du c\u00f4t\u00e9 des terminaux optiques embarqu\u00e9s dans les satellites, plusieurs industriels ont investi le cr\u00e9neau. Tir\u00e9s par la demande de terminaux optiques de la Space Development Agency (SDA) pour sa constellation de satellites de t\u00e9l\u00e9communications militaires Transport Layer des industriels tels que CACI International, Skyloom, Tesat et Mynaric commercialisent des terminaux optiques compatibles aux standards de la SDA.<\/p>\n\n\n\n

Les initiatives de communications laser espace-sol :<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Plusieurs initiatives de communications optiques spatiales sont en cours actuellement et visent \u00e0 exploiter l\u2019optique pour cr\u00e9er de nouvelles infrastructures spatiales de transfert massif de donn\u00e9es partout dans le monde.<\/p>\n\n\n\n

Dans le cadre du projet HydRON (High Throughput Optical Network) soutenu par l’Agence spatiale europ\u00e9enne (ESA), les travaux r\u00e9alis\u00e9s ambitionnent d\u2019explorer les communications optiques entre satellites et stations terrestres \u00e0 des d\u00e9bits de l\u2019ordre du Tbps, tout en garantissant une interop\u00e9rabilit\u00e9 avec les r\u00e9seaux terrestres. Ces travaux ouvriraient la voie \u00e0 une connectivit\u00e9 presque illimit\u00e9e pour des applications avanc\u00e9es, notamment la 5G\/6G et l’internet spatial.<\/p>\n\n\n\n

De plus, le consortium CO-OP, dirig\u00e9 par Airbus Defence and Space, Thales Alenia Space et Safran, et supervis\u00e9 par le CNES vise \u00e0 d\u00e9velopper la fili\u00e8re optique satellitaire en France. Il se concentre sur l’utilisation de liaisons optiques sol-GEO pour am\u00e9liorer les capacit\u00e9s de communication entre les satellites et les utilisateurs au sol. Cailabs contribue au projet en d\u00e9veloppant une source \u00e0 tr\u00e8s haute puissance, d\u00e9passant les 50 W, pour un feeder link GEO visant \u00e0 assurer une connexion tr\u00e8s haut d\u00e9bit capable d’atteindre le t\u00e9raoctet par seconde.<\/p>\n\n\n\n

Turbulences atmosph\u00e9riques :<\/h5>\n\n\n\n

Malgr\u00e9 des d\u00e9monstrations de faisabilit\u00e9 r\u00e9alis\u00e9es d\u00e8s les ann\u00e9es 90, les communications laser espace-sol n’avaient pas d\u00e9coll\u00e9 en raison d’un d\u00e9fi historique : les turbulences atmosph\u00e9riques. Ces perturbations, r\u00e9sultant de l’h\u00e9t\u00e9rog\u00e9n\u00e9it\u00e9 et des mouvements permanents de l’air, impactent la phase et l’intensit\u00e9 du faisceau lumineux, d\u00e9gradant la qualit\u00e9 du lien lors de la travers\u00e9e de l’atmosph\u00e8re terrestre.<\/p>\n\n\n\n

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\"2023<\/picture>
Vue sur la Lune \u00e0 travers la turbulence atmosph\u00e9rique<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

Les communications optiques sont comp\u00e9titives par rapport \u00e0 la RF au-del\u00e0 de 10Gpbs. Pour \u00e9tablir une liaison optique \u00e0 haut d\u00e9bit, il est indispensable d’utiliser des \u00e9quipements t\u00e9l\u00e9coms standards, disponibles principalement sur fibres optiques monomodes. C\u2019est l\u00e0 que la gestion de la turbulence devient n\u00e9cessaire, notamment pour permettre le couplage sur fibre monomode. D\u2019une part, cela permet de b\u00e9n\u00e9ficier de l\u2019amplification EDFA et de la modulation coh\u00e9rente. D\u2019autre part, la gestion de la turbulence est n\u00e9cessaire pour la focalisation du signal sur un d\u00e9tecteur \u00e0 haut SNR (Rapport signal sur bruit). En effet, plus le d\u00e9bit est \u00e9lev\u00e9 plus le d\u00e9tecteur doit \u00eatre petit ce qui le rend \u00e9galement sensible \u00e0 la turbulence.<\/p>\n\n\n\n

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\"Vue<\/picture><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

Aujourd\u2019hui des solutions innovantes permettent de g\u00e9rer efficacement ces turbulences. Parmi celles-ci, l’Optique Adaptative, issue de l’astronomie, offre une compensation active des turbulences \u00e0 l’aide de grands miroirs d\u00e9formables. Cependant, cette m\u00e9thode peut s’av\u00e9rer limit\u00e9e pour atteindre la vitesse de correction requise dans les communications optiques \u00e0 haut d\u00e9bit. De plus, elle pr\u00e9sente des complexit\u00e9s d’utilisation et requiert des \u00e9quipements encombrants et co\u00fbteux.<\/p>\n\n\n\n

Cailabs a d\u00e9velopp\u00e9 des technologies concurrentes, compactes et robustes, adoptant une approche passive.<\/strong> La technologie TILBA\u00ae<\/strong>-ATMO<\/a><\/strong>, d\u2019une part, consiste \u00e0 collecter l’int\u00e9gralit\u00e9 de la lumi\u00e8re et \u00e0 la convertir passivement en modes utilisables, \u00e9vitant ainsi la correction active de la distorsion du front d’onde. D\u2019autre part, la technologie TILBA\u00ae-IBC<\/a> <\/strong>permet de corriger la turbulence \u00e0 l\u2019\u00e9mission gr\u00e2ce \u00e0 la combinaison incoh\u00e9rente. <\/p>\n\n\n\n

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En savoir plus sur la gestion de la turbulence atmosph\u00e9rique par Cailabs<\/a><\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Ainsi Cailabs se positionne sur le segment sol des communications laser en espace libre en d\u00e9veloppant et fournissant des stations sol optiques TILBA\u00ae-OGS<\/strong><\/a> capables de g\u00e9rer la turbulence atmosph\u00e9rique tant \u00e0 l\u2019\u00e9mission qu\u2019\u00e0 la r\u00e9ception permettant ainsi de d\u00e9bloquer le tr\u00e8s haut d\u00e9bit (>10Gbps).<\/p>\n\n\n\n

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\"Station<\/picture>
Station sol optique d\u00e9di\u00e9 sur le site de Cailabs<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

Nos TILBA\u00ae<\/strong>-OGS<\/a> sont \u00e9galement \u00e9volutives vers les besoins futurs de feeder links Tbps<\/strong> gr\u00e2ce \u00e0 la combinaison coh\u00e9rente TILBA\u00ae-CBC<\/a><\/strong> afin de r\u00e9pondre aux besoins des constellations t\u00e9l\u00e9com et de data relay notamment en orbite g\u00e9ostationnaire. La brique technologique TILBA\u00ae<\/strong>-CBC \u00e9tend la port\u00e9e et le d\u00e9bit des feeder links optiques sol-espace l\u00e0 o\u00f9 les sources t\u00e9l\u00e9coms sont actuellement limit\u00e9es.<\/p>\n\n\n\n

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En savoir plus sur les feeder links spatiaux par Cailabs<\/a><\/div>\n<\/div>\n\n\n\n
Conclusion<\/strong><\/h5>\n\n\n\n

Les communications optiques en espace libre d\u00e9bloquent le tr\u00e8s haut d\u00e9bit, jouant un r\u00f4le essentiel dans les futurs r\u00e9seaux de communication. En compl\u00e9ment des communications RF, elles surmontent les limitations de d\u00e9bit, permettant des transmissions \u00e0 des vitesses exceptionnelles et \u00e9liminant les goulots d’\u00e9tranglement associ\u00e9s aux communications RF. Cette avanc\u00e9e cr\u00e9e de nouvelles opportunit\u00e9s pour des applications n\u00e9cessitant un transfert de donn\u00e9es \u00e9lev\u00e9. La collaboration \u00e9troite entre entreprises, agences gouvernementales et chercheurs stimule le d\u00e9veloppement des technologies de communications laser, entra\u00eenant des progr\u00e8s significatifs dans les domaines terrestres et embarqu\u00e9s, favorisant ainsi l’\u00e9mergence d’un march\u00e9 dynamique.<\/p>\n\n\n\n

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Etude de cas : technologie TILBA\u00ae<\/strong>-ATMO vs. Optique Adaptative<\/a><\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

R\u00e9f\u00e9rences :<\/strong><\/p>\n\n\n\n

– https:\/\/www.nasa.gov\/centers-and-facilities\/ames\/nasa-partners-achieve-fastest-space-to-ground-laser-comms-link\/<\/a><\/p>\n\n\n\n

– https:\/\/www.dlr.de\/en\/latest\/news\/2023\/04\/demonstration-of-data-transmission-from-a-microsatellite-by-laser<\/a><\/p>\n\n\n\n

– https:\/\/spacenews.com\/chinese-commercial-satellite-firm-completes-high-speed-laser-image-transmission-test\/<\/a><\/p>\n\n\n\n

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\"Tatiana<\/picture><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
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By Tatiana Zaimskikh<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Dipl\u00f4m\u00e9e en \u00e9conomie, g\u00e9opolitique, et titulaire d’un master en commerce international, Tatiana porte un int\u00e9r\u00eat particulier \u00e0 l\u2019industrie des t\u00e9l\u00e9communications spatiales. En tant qu’assistante chef de produit chez Cailabs, elle contribue au d\u00e9veloppement et \u00e0 la commercialisation de la gamme TILBA, d\u00e9di\u00e9 aux communications laser spatiales, terrestres et a\u00e9ronavales.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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Nos autres articles :<\/h2>\n\n\n\n
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