La communication laser dans l'espace : la leçon de DSOC
De 2023 à 2025, une expérience embarquée sur la sonde Psyche a échangé des données par laser avec la Terre depuis des centaines de millions de kilomètres. Récit d'une démonstration qui prépare les liaisons à haut débit vers Mars, et au-delà.
Le 11 décembre 2023, un télescope californien a reçu une vidéo de quinze secondes en ultra-haute définition, montrant un chat roux nommé Taters. Rien d'extraordinaire, sauf la provenance. La vidéo arrivait d'environ 31 millions de kilomètres, quatre-vingts fois la distance Terre–Lune, au débit de 267 mégabits par seconde, plus vite que bien des connexions internet. Le signal avait voyagé 101 secondes. L'émetteur était un laser à bord de la sonde Psyche : l'expérience DSOC (Deep Space Optical Communications) de la NASA.
Pourquoi passer de la radio à la lumière ?
Tout faisceau s'élargit en se propageant : c'est la diffraction. Son angle d'ouverture est de l'ordre de
\theta \approx \frac{\lambda}{D}
où \lambda est la longueur d'onde et D le diamètre de l'antenne ou du télescope émetteur. Les sondes lointaines émettent en général en radio, dans la bande X, avec une longueur d'onde de 3,6 cm. Un laser proche infrarouge travaille autour du micromètre, une longueur d'onde des dizaines de milliers de fois plus courte. À taille d'émetteur égale, le faisceau laser est donc des dizaines de milliers de fois plus étroit, et l'énergie se concentre sur une tache beaucoup plus petite à l'arrivée. Selon la NASA, cela permet des débits 10 à 100 fois supérieurs à ceux des systèmes radio de taille et de puissance comparables.
La contrepartie est le pointage. Un faisceau aussi fin doit viser avec une précision extrême une Terre qui bouge : la NASA compare l'exercice au fait de suivre avec un pointeur laser une pièce de monnaie en mouvement à plus d'un kilomètre et demi.
DSOC, une expérience à bord de Psyche
La sonde Psyche, partie le 13 octobre 2023 vers l'astéroïde du même nom, emportait un émetteur-récepteur laser, monté sur un assemblage de supports et d'actionneurs qui l'isole des vibrations de la sonde. Au sol, deux installations californiennes travaillaient de concert. À Table Mountain, un laser de 3 kilowatts envoyait vers la sonde une balise lumineuse pour l'aider à viser la Terre. À l'observatoire Palomar, le télescope Hale, de 5,1 mètres, recueillait le signal descendant grâce à une matrice de détecteurs supraconducteurs capables de compter les photons un par un. Ce comptage de photons est la clé : à ces distances, chaque grain de lumière reçu compte.
Les étapes se sont enchaînées. Premier contact le 14 novembre 2023, à environ 16 millions de kilomètres. En avril 2024, la sonde envoyait des données d'ingénierie depuis quelque 225 millions de kilomètres, avec un débit maximal de 25 mégabits par seconde. En juin 2024, à environ 400 millions de kilomètres, le débit atteignait encore 8,3 mégabits par seconde au maximum. Le 3 décembre 2024, le record de distance d'une liaison optique tombait : environ 494 millions de kilomètres, plus que la distance moyenne entre la Terre et Mars. La démonstration s'est achevée en septembre 2025 par un 65e passage, depuis environ 350 millions de kilomètres, après avoir rapporté au total 13,6 térabits de données et dépassé tous ses objectifs techniques.
Une famille de démonstrateurs
DSOC n'est pas seul. En 2013, l'expérience LLCD avait transmis 622 mégabits par seconde depuis l'orbite lunaire. Le relais LCRD, lancé le 7 décembre 2021 en orbite géostationnaire, échange des données à 1,2 gigabit par seconde ; le 5 décembre 2023, il a établi avec le terminal ILLUMA-T de la Station spatiale internationale la première liaison laser bidirectionnelle de bout en bout de la NASA. En orbite basse, le petit terminal TBIRD, lancé en mai 2022, a battu le record de débit descendant : 200 gigabits par seconde, soit 4,8 téraoctets transmis en cinq minutes. Selon la NASA, le terminal O2O a ensuite permis des échanges vidéo en ultra-haute définition avec l'équipage de la mission lunaire Artemis II.
Et sur Terre ?
Les liaisons laser ne servent pas qu'à l'exploration. Les satellites d'observation de la Terre produisent des volumes d'images énormes ; des stations sol optiques permettraient de les télécharger en quelques minutes, ce qui accélérerait la cartographie des inondations et des incendies pour la protection civile. C'est l'objet d'une marche d'Anthropolaris consacrée à ces « grandes oreilles optiques » (voir la marche H-LNK-03). Les détecteurs qui comptent les photons un par un intéressent aussi les communications quantiques.
Et jusqu'aux étoiles ?
Une sonde de quelques grammes arrivée près d'Alpha du Centaure, à 4,37 années-lumière, ne pourrait renvoyer ses données qu'avec un émetteur laser minuscule. Le défi change d'échelle : la distance est environ 80 000 fois plus grande que celle du record de DSOC, et le signal reçu, à émetteur égal, des milliards de fois plus faible. Il faudra un pointage plus fin que le microradian, de très grandes surfaces collectrices au sol et des codes capables de reconstituer un message à partir de quelques photons (voir la marche H-LNK-02).
DSOC a prouvé que la lumière peut porter des données à travers le système solaire. La prochaine étape est d'en faire un service régulier, d'abord vers Mars ; l'étape d'après, bien plus lointaine, sera d'écouter une étoile voisine.