L’Agenzia spaziale europea (ESA) sta utilizzando la precisione dei misuratori di lunghezza d’onda ottici di Yokogawa per garantire un’accurata precisione dell’onda generata dai laser utilizzati nelle comunicazioni tra la Terra e lo spazio.
L’ESA gestisce una rete di satelliti geostazionari nota come European Data Relay System (EDRS). Questi satelliti comunicano con una costellazione di satelliti europei LEO (Low Earth Orbit) chiamati Sentinel, utilizzati per applicazioni di monitoraggio della Terra.
I satelliti EDRS utilizzano la comunicazione radio per inviare le immagini dei satelliti LEO e altri dati sui server terrestri.
La sfida della crescente quantità di informazioni forniti dai satelliti LEO, e più in generale dalle costellazioni di satelliti, porterà alla saturazione delle bande radio utilizzate per l’invio dei dati.
La risposta ovvia sta nella comunicazione ottica basata su laser, una tecnica già utilizzata per trasferire nello spazio i dati tra i satelliti LEO e la rete EDRS. Le comunicazioni ottiche sono una tecnologia collaudata sulla Terra e costituiscono la spina dorsale di Internet.
Tuttavia, le comunicazioni ottiche tra la Terra e un satellite richiedono una speciale tecnologia laser in quanto durante il loro tragitto i segnali ottici sono soggetti a interferenze dovute alle nuvole e ad altri fenomeni meteorologici.
Inoltre, i segnali ottici nello spazio libero non possono essere schermati da fonti esterne di interferenza ottica da parte del mezzo fisico attraverso il quale viaggiano, come accade per le fibre ottiche sulla Terra.
I sistemi di comunicazione ottica devono raggiungere un rapporto segnale/rumore sufficiente per mantenere il collegamento tra trasmettitore e ricevitore. Nell’EDRS dell’ESA, i segnali vengono trasmessi a una lunghezza d’onda molto precisa, nello spettro degli infrarossi, di 1064,625 nm (nanometri) ±11 pm (picometri), con una varianza quasi nulla nella lunghezza d’onda di picco. Ciò consente al ricevitore di agganciarsi al segnale a banda stretta trasmesso ed eliminare i segnali di interferenza. Con questa tecnologia, il satellite EDRS può funzionare anche quando il sole è nel suo campo visivo.
L’ESA sta implementando la tecnologia di comunicazione ottica Terra-satellite nella sua stazione di terra (OGS) sull’isola spagnola di Tenerife e presso il telescopio Aristarchos presso l’osservatorio di Chelmos nel Peloponneso, in Grecia.
Il mantenimento dell’esatta lunghezza d’onda del trasmettitore è una parte fondamentale del funzionamento del sistema Aristarchos, ottenuto mediante una tecnica in cui il laser del trasmettitore viene pompato da un diodo laser da 808 nm per generare un’uscita accurata di 1064,625 nm ±11 pm. Questa lunghezza d’onda è controllata accuratamente regolando la temperatura di esercizio del laser del trasmettitore.
La misurazione dei sistemi di comunicazione ottica viene solitamente eseguita utilizzando un analizzatore di spettro ottico (OSA), uno strumento di grande precisione e affidabilità che analizza la lunghezza d’onda, oltre ad altri parametri.
Gli OSA come l’AQ6370D di Yokogawa raggiungono una precisione di misurazione della lunghezza d’onda di ±10 pm (picometri) a una lunghezza d’onda di riferimento di 1550 nm e ±100 pm a 1064,625 nm. Sebbene ciò sia estremamente accurato, non è ancora sufficiente per soddisfare le esigenze dell’installazione di Aristarchos.
Per questo motivo, in collaborazione con Simac Electronics, un fornitore olandese di connettività e tecnologie di misurazione, l’ESA ha selezionato un misuratore di lunghezza d’onda ottico specializzato, l’AQ6151B di Yokogawa.
Zoran Sodnik è il responsabile della tecnologia delle comunicazioni ottiche presso la direzione delle telecomunicazioni e delle applicazioni integrate dell’ESA. È responsabile del sistema di comunicazioni ottiche installato presso il telescopio Aristarchos. Sodnik afferma: “L’EDRS opera a frequenze dell’ordine di multipli di terahertz e le lunghezze d’onda del trasmettitore e del ricevitore differiscono di 28 Gigahertz. Ciò significa che la frequenza del laser deve essere impostata con precisione dei Gigahertz e quindi misurata con lo stesso livello di precisione e accuratezza.”
Lo strumento utilizzato impiega un interferometro Michelson in grado di misurare la lunghezza d’onda in modo molto accurato. Nell’AQ6151B, il modello ad alta precisione della serie AQ6150, la precisione è specificata a ±0,2 ppm. Disponibile in tre gamme di lunghezze d’onda, l’installazione di Aristarchos utilizza la versione Wide Range che copre lunghezze d’onda da 900 nm a 1700 nm.
La serie AQ6150 offre alta velocità, con la possibilità di acquisire, analizzare e trasferire una misura su un PC entro 0,2 secondi. Oltre all’elevata precisione, la serie AQ6150 offre misurazioni simultanee fino a 1024 lunghezze d’onda e gestisce una potenza del segnale in ingresso fino a -40 dBm.
L’AQ6151B ha anche funzioni di analisi integrate e non richiede programmazione, cosa che lo rende facile da usare.
Sodnik era fiducioso che l’uso del misuratore di lunghezza d’onda ottico Yokogawa avrebbe prodotto i risultati che l’ESA stava cercando: “L’ESA ha utilizzato ampiamente gli strumenti Yokogawa in passato e li ha sempre trovati estremamente precisi e affidabili. Quest’ultima installazione all’osservatorio di Chelmos ha richiesto una precisione molto più elevata. Non ho esitato a scegliere un prodotto Yokogawa: ha soddisfatto pienamente le mie aspettative.”
Utilizzando l’AQ6151B per sintonizzare i laser, l’ESA prevede che la trasmissione ottica potrebbe assumersi l’onere di gestire il traffico ad ampia larghezza di banda, sostituendo la comunicazione radio come mezzo principale per inviare e ricevere dati dai satelliti.
Il case study completo è disponibile al seguente link.
A proposito di Yokogawa Test&Measurement
Yokogawa sviluppa soluzioni di misura da più di 100 anni, fornendo continuamente ai team di Ricerca e Sviluppo gli innovativi strumenti di cui necessitano per ottenere i migliori risultati dalle proprie misure. L’azienda nella sua storia é sempre stata una pioniera nelle misure accurate di potenza elettrica. Oggi, con più di 30 anni di esperienza nei test di sistemi ottici, Yokogawa offre una vasta gamma di strumenti ottici ed é leader di mercato per gli analizzatori di spettro ottico utilizzati nei laboratori di ricerca e nelle linee di produzione dei dispositivi e dei sistemi optoelettronici.
L’accuratezza e precisione degli strumenti Yokogawa é garantita dal laboratorio di calibrazione secondo gli Standard Europei che si trova nella sede centrale europea di Yokogawa, situata nei Paesi Bassi. Tale laboratorio é l’unica struttura privata accreditata ISO 17025 per offrire calibrazioni di potenza certificate fino a frequenze di 100 kHz: un requisito per la misurazione delle armoniche di ordine superiore specificato negli Standard di qualità come l’ISO9000.
