Systèmes de télécommunications optiques spatiales

Dans un monde de plus en plus connecté, les exigences en matière de communication ont augmenté de manière exponentielle. La domination des communications optiques dans le domaine terrestre ces dernières décennies s’explique par leurs capacités élevées de transmission de données sur de longues distances. Leur adoption croissante dans le domaine spatial a été motivée par la nécessité conjointe d’accroître les débits tout en réduisant la taille et le coût des systèmes. Les communications optiques spatiales montrent déjà toute leur efficacité sur les liens inter-satellites, notamment grâce à l’avènement des constellations en orbite basse (Space Development Agency (SDA), Starlink) et pour le rapatriement de données en passant par un satellite géosynchrone (European Data Relay Satellite System, EDRS). Les efforts de développements se concentrent maintenant sur l’augmentation des débits et sur la réalisation de liens traversant l’atmosphère, qui ajoute un niveau de complexité supplémentaire.

Les systèmes de télécommunications optiques spatiales possèdent, hormis la promesse de très hauts débits, quelques avantages supplémentaires par rapport aux systèmes radiofréquences (RF) :

• il n’existe pas de réglementation sur l’utilisation de ces fréquences. Elles sont en effet tellement grandes $\left(\sim \mathrm{\hspace{0.17em}}190\mathrm{\hspace{0.17em}}\mathrm{THz}\mathrm{\hspace{0.17em}}\mathrm{ce}\mathrm{\hspace{0.17em}}\mathrm{qui}\mathrm{\hspace{0.17em}}\mathrm{équivaut}\mathrm{\hspace{0.17em}}\mathrm{à}\mathrm{\hspace{0.17em}}1\mathrm{\hspace{0.17em}}550\mathrm{\hspace{0.17em}}\mathrm{nm}\right)$ et les faisceaux tellement étroits $\left(\sim \mathrm{\hspace{0.17em}}10\mathrm{\hspace{0.17em}\mu }\mathrm{rad}\right)$ que le risque d’interférence avec un autre système est négligeable ;

• leur discrétion les rend difficiles à espionner et à brouiller, ce qui suscite un vif intérêt pour les forces armées ;

• leur compacité est plus importante par rapport aux systèmes radiofréquences (à débit équivalent) ;

• ils réduisent les problématiques de compatibilité électromagnétique au niveau des engins spatiaux.

En revanche, ces systèmes souffrent encore de quelques points durs :

• la spatialisation des composants terrestres n’est pas toujours aisée du fait des électroniques avancées utilisées ;

• ils ne fonctionnent quasi exclusivement qu’en lien point-à-point ;

• ils sont extrêmement sensibles à la couverture nuageuse, ce qui crée un impact fort sur la disponibilité pour certains types de liens ;

• ils sont plus complexes lorsque la traversée de l’atmosphère turbulente rentre en compte.

Dans cet article, nous explorons en profondeur les principes fondamentaux des communications optiques spatiales, leurs avantages et leurs défis, ainsi que les applications qui émergent grâce à cette technologie. Nous discutons des différents types de liens optiques, des chaînes de communication, des terminaux lasers, des bilans de liaison à faible et haute dynamique. Puis, nous parlons des concepts de capacité et disponibilité.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes utilisés.