European Space Agency gebruikt Yokogawa-instrumenten om nauwkeurige laserafstemming voor satellieten te bereiken

Esa exploiteert een netwerk van geostationaire satellieten, bekend als het European Data Relay System (EDRS). Deze satellieten communiceren met een constellatie van European Low Earth Orbit (LEO)-satellieten genaamd Sentinels, die worden gebruikt voor aardbewakingstoepassingen. De EDRS-satellieten gebruiken radiocommunicatie om de beelden en andere gegevens van de LEO-satellieten naar terrestrische servers te uploaden.

Door de groeiende hoeveelheid informatie zal de beschikbare bandbreedte van radiocommunicatieverbindingen binnenkort echter te laag zijn. Optische, op laser gebaseerde communicatie is het voor de hand liggende antwoord, een techniek die al wordt gebruikt om gegevens tussen de LEO-satellieten en het EDRS-netwerk uit te wisselen. Optische communicatie tussen de aarde en een satelliet vraagt echter ​​om speciale lasertechnologie. Dit, omdat optische signalen die tussen de aarde en de ruimte worden verzonden, onderhevig zijn aan interferentie van verschillende bronnen, zoals wolken. Bovendien kunnen optische signalen in de vrije ruimte niet worden afgeschermd van externe bronnen van optische interferentie door het fysieke medium waardoor ze reizen, zoals een optische vezel op aarde.

In de EDRS van de Esa worden signalen verzonden op een zeer nauwkeurig gespecificeerde infraroodgolflengte van 1064,625 nm (nanometer) ± 11 pm (picometer), met bijna nul variantie in de piekgolflengte. Hierdoor kan de ontvanger zich op het uitgezonden smalbandsignaal concentreren en storende signalen elimineren. Met deze technologie kan de EDRS-satelliet zelfs werken als de zon in zijn gezichtslijn staat.

ESA implementeert optische aarde-naar-satellietcommunicatietechnologie in haar optische grondstation (OGS) op het Spaanse eiland Tenerife en bij de Aristarchos 2,2 m-telescoop van het Chelmos-observatorium op de Peloponnesos in Griekenland. Het handhaven van de exacte zendergolflengte  wordt bereikt door een techniek waarbij de zenderlaser wordt gepompt door een 808 nm laserdiode om een ​​nauwkeurige 1064,625 nm ± 11 pm output te genereren. Deze golflengte wordt nauwkeurig geregeld door de bedrijfstemperatuur van de zenderlaser aan te passen.

Meting van optische communicatiesystemen wordt meestal uitgevoerd met behulp van een optische spectrumanalysator (OSA). OSA’s zoals Yokogawa’s AQ6370D bereiken een golflengtemeetnauwkeurigheid van ±10 pm (picometer) bij een referentiegolflengte van 1550 nm en ±100 pm bij 1064,625 nm. Hoewel dit zeer nauwkeurig is, is het nog steeds niet nauwkeurig genoeg om aan de eisen van de Aristarchos-installatie te voldoen.

Zoran Sodnik, manager optische communicatietechnologie: "De EDRS werkt op frequenties gemeten in veelvouden van terahertz en de golflengten van zender en ontvanger liggen niet meer dan 28 Gigahertz uit elkaar. Dit betekent dat de frequentie van de laser moet worden ingesteld met Gigahertz-precisie en vervolgens moet worden gemeten met hetzelfde niveau van precisie en nauwkeurigheid."

In samenwerking met de Nederlandse leverancier van connectiviteits- en meettechnologieën Simac Electronics koos de Esa voor een specialistische optische golflengtemeter, de AQ6151B van Yokogawa. Het instrument maakt gebruik van een Michelson-interferometer, die de golflengte zeer nauwkeurig kan meten: ±0,2 ppm. De Aristarchos-installatie maakt gebruik van de Wide Range-versie, met golflengten van 900 nm tot 1700 nm.

De AQ6150-serie biedt hoge snelheid, met de mogelijkheid om een ​​meting binnen 0,2 seconden op te nemen, te analyseren en over te dragen naar een pc. Naast een hoge nauwkeurigheid biedt de AQ6150-serie gelijktijdige metingen van maximaal 1024 golflengten en verwerkt een ingangssignaalvermogen van slechts -40 dBm. De AQ6151B heeft ingebouwde analysefuncties en vereist geen programmering.

Sodnik: "De Esa heeft in het verleden veel gebruik gemaakt van Yokogawa-instrumenten en heeft ze altijd als uiterst nauwkeurig en betrouwbaar ervaren. Deze nieuwste installatie in het Chelmos-observatorium vereiste een extreem hoge nauwkeurigheid. Ik aarzelde niet om een Yokogawa-product te kiezen – het heeft voldeed volledig aan mijn verwachtingen."