Succesvolle proef TNO met optische lasercommunicatie

TNO is er in geslaagd een optische lasercommunicatieverbinding over 10 km tot stand te brengen tussen de KNMI-testlocatie bij Lopik en de Gerbrandytoren in IJsselstein. De proef is een volgende stap in het TOmCAT-project, dat laser-satellietcommunicatie wil verbeteren om internetverbindingen via satelliet in bijvoorbeeld dunbevolkte gebieden mogelijk te maken.

Bij laser-satellietcommunicatie wordt data van de aarde middels laser naar satellieten verzonden. Hierdoor is veel snellere, goedkopere en veiligere gegevensoverdracht mogelijk dan via de radiofrequenties, de RF-signalen, die nu wereldwijd worden gebruikt voor communicatie. Met de proef tussen Lopik en IJsselstein is voor het eerst een stabiele optische datalink tot stand gebracht die compatibel is met bestaande radiofrequentie infrastructuur.

Nieuw is laser-satellietcommunicatie natuurlijk niet, zegt ook Wimar Klop, als system engineer verantwoordelijk voor de proef. “Er zijn al partijen die datastreams verzenden, zelfs op hogere snelheden. De stap voorwaarts in deze proef is dat we met een combinatie van technologieën mogelijk maken dat de dataoverdracht niet alleen snel, maar ook betrouwbaar en stabiel gebeurt. En dat de techniek schaalbaar is naar een optische feederlink.”

Het probleem met laser-satellietcommunicatie is namelijk dat deze storing ondervindt van turbulentie in de atmosfeer, waardoor de verbinding minder betrouwbaar wordt. TNO past daarom in deze proef adaptieve optiek precorrectie toe om toch voor een stabiele dataverbinding te zorgen. 

Gespiegeld storen

De oplossing is door het te verzenden signaal vooraf op een gespiegelde manier te ‘storen’. “Er wordt daarvoor eerst een lichtsignaal van de satelliet naar de grond gebruikt om te meten wat de verstoring van die bundel is. Daarna sturen we het signaal van de aarde over een vervormbare spiegel met een tegengestelde storing naar de satelliet. Omdat dit signaal nagenoeg dezelfde turbulentie tegenkomt, verandert de bundel zo dat ie juist beter aankomt.”

Ook andere technieken zorgen voor een meer stabiele verbinding. “De digital processor heeft een betere technologie in zich om goed om te gaan met storingen. Een buffer slaat data op; als er even geen licht is, loopt de buffer leeg tot er weer wel licht is. Zo kan de verbinding toch in een continue stroom van data voorzien”, zegt Klop. “Ook worden door forward error coding bits aan de stroom van data toegevoegd die ervoor zorgen dat de satelliet de foutjes kan tolereren en corrigeren.”

Uniek is ook het gebruik van een multiplexer. “Het signaal gaat niet over een enkele golflengte, de data wordt gesplitst over meerdere golflengtes. Voor het eind product is per kanaal is 50W nodig, met alle kanalen, kom je afhankelijk van de hoeveelheid data tussen de 500W en 1kW terecht. Uniek van deze test is dat we ervoor hebben kunnen zorgen dat deze technologie schaalbaar is naar een echte toepassing.”

Wel werkt deze oplossing vooralsnog alleen op een afstand tussen Lopik en IJsselstein, een afstand van 10 km. De satellieten waarmee gecommuniceerd wordt, zweven op een hoogte van 39.000 km boven aarde. Dat is geen probleem, zegt Klop, op de kortere afstand treed al even veel verstoring op als op route naar de geostationaire satellieten. “De verstoring door turbulentie vindt plaats in de atmosfeer. Het grootste gedeelte van de 39.000 km is vacuüm, daar gebeurt niks met het signaal. Hoe dichter bij de aarde, hoe meer verstoring.”

Ook loopt alleen de verbinding van het grondstation naar de satelliet via lasercommunicatie. Van de satelliet naar de eindgebruiker wordt de data nog steeds via radiosignalen overgebracht. Om praktische redenen kan dat niet anders, zegt Klop. “Om te zenden via laser heb je zicht nodig. Als er bewolking is, kun je kiezen voor een ander grondstation. De eindgebruiker kan niet van locatie veranderen en zou op bewolkte dagen geen internet hebben. Bovendien is de bandbreedte van de eindgebruiker naar de satelliet maar beperkt.”

TOmCAT-project

De test is onderdeel van het TOmCAT-project (Terabit Optical Communication Adaptive Terminal) waarin wordt gekeken naar de gehele optische communicatieketen tussen verzender en satelliet. Verschillende partijen werken daar aan mee, naast TNO onder meer ook Airbus Defence and Space Netherlands, Demcon, VDL ETG en Celestia STS. 

De volgende stap is het daadwerkelijk communiceren met een satelliet in de ruimte. Naar verwachting zal dit in 2023/2024 gebeuren, onder leiding van Airbus Defence & Space Netherlands. In de jaren daarna kan de technologie naar de markt worden gebracht.

De techniek kan helpen overal snelle breedbandverbindingen mogelijk te maken. “Nederland is goed verbonden met fibers. In dunbevolkte gebieden, en die zie je ook al in de VS en Duitsland, is dat minder het geval. Daarnaast heb je ook in Nederland, bij evenementen of noodsituaties, een enorme boost in datadoorvoer nodig. Ik kan me voorstellen dat deze oplossing dan wordt aangeboden.”