Laser ranging and data communication for the laser interferometer space antenna

Resumen

La línea de investigación de esta tesis se fundamenta en el campo de los sistemas de telecomunicaciones, procesamiento de la señal y sistemas de medidas de precisión óptica. Esta tesis se ha desarrollo en el proyecto internacional LISA (Laser Interferometer Space Antenna) y en colaboración con el Max-Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute) en Hannover, Alemania. El proyecto de tesis se centrada el desarrollo y verificación óptica de un sistema de posicionamiento láser y comunicación de datos entre los satélites de la misión LISA. La misión LISA será lanzada en la próxima década con el objetivo de detectar ondas gravitacionales (GW) en el rango de los mili-hercios a través de interferometría láser heterodina. La misión está compuesta por tres satélites separados entre sí por 5 millones de kilómetros e interconectados por medio de tres enlaces láseres bidireccionales. Los enlaces láseres sirven como antenas para la detección de GW ya que estas se acoplan produciendo fluctuaciones en el camino óptico a niveles de picómetros. El sistema de interferometría es muy preciso, pero su rango de medida está limitado a la longitud de onda del láser (~ 1 µm). Esto produce un rango de ambigüedad o incertidumbre en la distancia absoluta del camino óptico. Además, el enlace óptico no es estático debido al movimiento intrínseco de los satélites en el trascurso de sus orbitas de forma que las fluctuaciones en la distancia óptica sobrepasan con creces el rango de ambigüedad del interferómetro (~ 1 µm). Es por tanto que dichas fluctuaciones en el camino óptico producen una configuración interferométrica de brazos desiguales y variantes en el tiempo, acoplándose en la medida el ruido de frecuencia del láser. Este hecho motiva la realización de un sistema láser que monitorice las variaciones en distancia absoluta del enlace óptico (ranging). Dichas medidas son usadas en tierra para sintetizar un interferómetro con picómetros de precisión e inmune al ruido de frecuencia del láser. Este algoritmo se denomina time-delay interferometry (TDI) y ha sido demostrado recientemente por NASA/JPL. En TDI se asume una medidas de la distancia absoluta entre satélites con un metro de precisión y la sincronización de relojes entre satélites a niveles de femto-segundos. En esta tesis demostramos experimentalmente ambos sistemas aplicando dos esquemas de modulación en el sistema de interferometría: un primer esquema se basa en bandas laterales para la transmisión del ruido de los relojes entre satélites. Posteriormente se usa el sistema de interferometría para demodular y medir el ruido de los relojes a los niveles requeridos. El segundo esquema se basa en una modulación en espectro expandido para estimar la distancia absoluta. Los resultados presentados muestran una precisión inferior a 1 m para niveles de potencia óptica equivalentes a la transmisión láser en un enlace de 5 mill de km. La modulación en espectro expandido permite además la implementación de otro de los requerimientos de la misión, la comunicación de datos entre los satélites. En esta tesis demostramos la viabilidad de la transmisión de datos a una tasa de varios kilobits por segundo. El núcleo de procesamiento de la señal está basado en FPGAs (Field Programable Gate Array) permitiendo la integración en una simple plataforma del; sistema de procesamiento interferométrico, el sistema de medición del ruido entre relojes, el sistema de medida de la distancia y el sistema de comunicación de datos. Igualmente, en esta tesis demostramos experimentalmente que los sistemas de modulación aplicados no degrada la sensibilidad del instrumento. Así, en esta tesis desarrollamos un sistema único de metrología láser que integra diversas funcionalidades en un solo dispositivo