Enfrentando os Desafios da Comunicação Óptica Espaço-Terra

Quem tem antena parabólica em casa depende da comunicação via rádio entre um satélite geoestacionário e a Terra. Os serviços de satélite do consumidor são capazes de transmitir centenas de canais de TV de alta e definição padrão simultaneamente por meio de um link de RF que é confiável em quase todas as condições, exceto chuva forte.

A comunicação por rádio via satélite é, de fato, amplamente utilizada na indústria e no governo para transferências de dados em banda larga. Mas o que acontece quando nem mesmo essa largura de banda é suficiente? Esse é o problema enfrentado pela Agência Espacial Européia (ESA), instituição apoiada por 22 estados-membros europeus, cuja missão é expandir as fronteiras da ciência e tecnologia e promover o crescimento econômico na Europa.

Assim como nas redes terrestres, a necessidade de largura de banda nas comunicações por satélite está aumentando rapidamente, e os links de rádio logo não serão capazes de atender à demanda. Isso ocorre porque a largura de banda depende da frequência da portadora. Na comunicação por rádio, o teto para frequências portadoras é de cerca de 30 GHz, enquanto na comunicação óptica, as frequências portadoras são quatro ordens de grandeza mais altas, com larguras de banda correspondentemente maiores.

Os satélites geoestacionários do European Data Relay System (EDRS) já usam links ópticos para se comunicar com uma constelação de satélites europeus de órbita baixa (LEO) chamados Sentinels, cujo trabalho é monitorar a Terra. No entanto, os satélites EDRS hoje usam comunicação de rádio para carregar as imagens dos satélites LEO e outros dados para servidores terrestres.

Mas em um futuro previsível, a quantidade de informações de LEO e satélites geoestacionários e constelações de satélites se tornará tão grande que a largura de banda de seus links de comunicação de rádio será muito baixa. Então, o que vem a seguir?

A comunicação óptica baseada em laser é a resposta óbvia, pois é uma técnica já usada para transferir dados entre os satélites LEO e a rede EDRS. E a comunicação óptica, que forma a espinha dorsal da internet, é uma tecnologia comprovada na Terra. Os cabos de fibra ótica que correm no fundo dos oceanos e atravessam os continentes são o meio pelo qual bilhões de visualizações de páginas são exibidas nas telas de computadores e smartphones todos os dias.

Portanto, a comunicação via fibra óptica é uma tecnologia comprovada que oferece largura de banda extraordinariamente alta. Mas as comunicações ópticas no espaço livre entre a Terra e um satélite, ou entre satélites, exigem uma tecnologia laser especial - e um equipamento de medição incrivelmente preciso.

Os sinais ópticos transmitidos entre a Terra e o espaço estão sujeitos a interferências de várias fontes — a dificuldade em manter um link óptico lá é muito maior do que para a comunicação óptica satélite-satélite, pois no espaço não há nuvens ou outros fenômenos climáticos, ou na verdade, quaisquer outros objetos, para interferir com seus sinais.

Os sistemas de comunicação óptica precisam atingir uma relação sinal-ruído suficiente para manter o link entre o transmissor e o receptor. No EDRS da ESA, os sinais são transmitidos em um comprimento de onda infravermelho especificado com muita precisão de 1064,625 nm ± 11 pm, com variação quase zero no comprimento de onda de pico. Isso permite que o receptor bloqueie o sinal de banda estreita transmitido e elimine os sinais de interferência. Com esta tecnologia, o satélite EDRS pode operar mesmo quando o sol está em sua linha de visão.

A ESA está implementando a tecnologia de comunicação óptica Terra-satélite em sua estação terrestre óptica (OGS) na ilha espanhola de Tenerife e no telescópio Aristarchos de 2,2 m no observatório Helmos no Peloponeso, na Grécia.

Manter o comprimento de onda exato do transmissor é uma parte crítica da operação do sistema Aristarchos. Para conseguir isso, a ESA usa um arranjo complexo no qual o laser transmissor, um oscilador de anel não planar feito de granada de alumínio e ítrio dopado com neodímio, é bombeado por um diodo laser de 808 nm para gerar uma saída precisa de 1064,625 nm ± 11 pm . Essa precisão do comprimento de onda é controlada pelo ajuste da temperatura de operação do laser transmissor.