Systèmes de liaisons spatiales par lasers

Dans le domaine spatial, on peut considérer que l’optique est en situation de concurrencer les liaisons radiofréquences dans plusieurs domaines d’application.

En premier, les immenses besoins en hauts débits (missions de télédétection spatiale : observation ou imagerie spectrale à haute résolution, arrivée du multimédia, développement des liaisons téléphoniques portables, télévision numérique à haute définition...), seront satisfaits par des réseaux de satellites en orbite basse (LEO, « low earth orbiting ») et communiquant entre eux par des liaisons optiques à très hauts débits (supérieurs à plusieurs gigabits par seconde) et vers le sol par voie radiofréquence.

Ensuite, d’autres échanges peuvent être nécessaires entre les orbites basses (LEO) et géostationnaire (GEO, « geostationnary earth orbiting »). C’est le cas de la liaison Silex (LEO) embarquée sur le satellite Spot 4 (lancé en 1998) et devant communiquer avec le futur satellite Artémis (GEO) dont le lancement est prévu en 2001.

Enfin, la grande directivité du faisceau laser (grand gain d’antenne) sera mise à profit pour des liaisons lointaines : sondes orbitant autour des planètes du système solaire et liées avec la Terre (ou un satellite géostationnaire qui joue un rôle de relais). Des études importantes sont engagées dans ce domaine par la NASA (Jet Propulsion Laboratory).

D’autres applications sont encore envisageables : liaisons intrasatellites, transmission de signaux d’horloges (synchronisation), positionnement précis de bras d’interféromètres, communications directes avec le sol très localisées. Il s’agit dans tous ces cas, d’utiliser un faisceau laser très bien stabilisé (en position angulaire ou en fréquence).

Pour ces missions, au débit de plus en plus élevé, les radiofréquences actuelles (K_u ou K_a , de 11 à 30 GHz), vont poser des problèmes : pour assurer un gain suffisant, les diamètres des antennes devront atteindre de très grandes dimensions, d’où un encombrement important, des difficultés d’implantation sur un satellite et des perturbations dynamiques qui conduiront à des défauts de stabilisation lors de la manœuvre de ces antennes.

On a donc recours aux fréquences optiques, correspondant à des longueurs d’onde de l’ordre de 1 µm. Leur intérêt découle de la très haute fréquence de la porteuse : le faisceau lumineux émis par le laser et collimaté par une antenne est d’autant plus directif que la fréquence optique est élevée (ou la longueur d’onde petite). Le diamètre d de la zone éclairée par un faisceau laser, à la longueur d’onde λ, collimaté par une lentille de diamètre D, à la distance L, et correspondant au premier lobe de diffraction, est donné par la relation d = 2,44 λL/D (cas simplifié d’une pupille uniformément éclairée).

Sur la figure 1, le satellite en orbite basse (LEO) envoie un rayonnement vers le satellite en orbite géostationnaire (GEO). La diffraction élargit la zone éclairée. Le tableau 1 donne la dimension des taches en optique et en radiofréquence (bande K_a) à une distance L de 45 000 km.

Influence de la longueur d’onde sur la dimension des taches de diffraction

Figure 1 - Émission d’un rayonnement laser entre deux terminaux optiques LEO et GEO

À puissance émise constante, l’éclairement est proportionnel à 1/ λ². Pour un signal de détection correspondant à un rapport signal sur bruit donné, on peut réduire les diamètres des antennes de réception dans le rapport 1/ λ², ce qui permet de diminuer l’inertie des pièces en mouvement. Le contrôle d’attitude du satellite s’en trouve donc simplifié.

Par contre, un très grand gain d’antenne nécessite un pointage très précis, de l’ordre du microradian (le lobe de diffraction d’une antenne de 250 mm de diamètre à la longueur d’onde de 0,85 µm est de ± 4,15 µrad ; l’ordre de grandeur de la stabilité du faisceau est du dixième de cette valeur). Une petite erreur de visée, due à un mésalignement ou à un défaut de stabilité du satellite, conduit à une chute d’éclairement. Il faut donc asservir les positions angulaires des deux terminaux à mieux que cette valeur.