Jenaer Forscher kompensieren atmosphärische Turbulenzen für optische Satelliten-Uplinks noch in der Bodenstation

Visualisierung des Einsatzes adaptiver Optiken bei der Uplink-Signalübertragung von Laserstrahlen.
© Foto Fraunhofer IOF

Visualisierung des Einsatzes adaptiver Optiken bei der Uplink-Signalübertragung von Laserstrahlen.

Die Laserkommunikation zwischen Bodenstationen und geostätionären Satelliten in der Erdumlaufbahn (»Earth-to-GEO communication«) kann erheblich durch Vorkompensation atmosphärischer Turbulenzen verbessert werden. Ein Forscherteam des Fraunhofer IOF rund um Projektleiterin Dr. Claudia Reinlein hat erstmals eine adaptive Optik entwickelt, welche ausgehende Laserstrahlen über einen horizontalen Testbereich von 494 Metern vorkompensieren kann. Anhand eines Demonstrators ließ sich eine deutliche Steigerung der Laserstrahlintensität am Satellitenterminal nachweisen. Die Ergebnisse des Projekts wurden kürzlich in den Optics Letters der Optical Society of America (OSA) veröffentlicht.

Die Menge an Internetdaten wächst rasant und in absehbarer Zeit werden derzeitige Satelliten-Speiseverbindungen nicht mehr über genügend Kapazität verfügen, um die stetig zunehmenden Datenberge übertragen zu können. Optische Zubringerverbindungen müssen demnach ein höheres Leistungsvermögen bieten - dafür ist die Überwindung atmosphärischer Turbulenzen bei optischen Kommunikationsverbindungen zwischen Boden- und GEO-Stationen in der Erdumlaufbahn unerlässlich.

Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Erzeugung von Terabit-Datenraten durch aktive Phasensteuerung. Bei einem anderen Verfahren werden adaptive Optiken (AO) zur Kompensation von atmosphärischen Turbulenzen verwendet. Dieser Ansatz hat sich in der Nachkompensation von Downlinks (Satelliten zu Bodenstationen) bereits als effektiv erwiesen. Signale, die in entgegengesetzter Richtung arbeiten (Uplinks), sind jedoch empfindlicher gegenüber solchen Turbulenzen. Dies liegt am sogenannten Phänomen des »Fading«, unter dem man den Schwund eines Signals durch Interferenz, Reflexion oder Multipfad-Ausbreitung versteht.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena konnten nun in ihrer Arbeit »Experimental validation of phase-only pre-compensation over 494 m free-space propagation« belegen, dass der Einsatz adaptiver Optiken (AO) sehr effektiv bei der Uplink-Signalübertragung von Laserstrahlen ist. Insgesamt ließ sich durch den Einsatz einer AO-Vorkompensation eine Erhöhung der Empfangsintensität am Satelliten bei einer Ausbreitung von über 494 Metern horizontal durch die Atmosphäre erreichen. Dies wurde unter einem Vorhaltewinkel (point-ahead-angle) von 28 μrad erreicht. Weiter geht das Team davon aus, dass Schwankungen in der empfangenen Intensität bei optimierten AO-Steuerparametern und mehr Freiheitsgraden für die Wellenfrontkorrektur noch weiter reduziert werden könnten.

Aktuell konnten die Forscherinnen und Forscher durch Vorkompensation der atmosphärischen Aberrationen eine Intensitätssteigerung von mehr als 7,0 dB am Ziel (Satellitenterminal) erreichen. Im nächsten Schritt wollen sie eine TTM-Regelung am Satelliten integrieren, was für die Uplink-Fasereinkopplung von Vorteil wäre.