SIMULATION D’UNE LIAISON OPTIQUE
AERIENNE
PRESENTATION GENERALE DES LIAISONS OPTIQUES AERIENNES
Historiques
Les LOA ne sont pas une technique récente. En effet, en 1880, quatre ans après l’invention du téléphone, Graham Bell utilisa la transmission d’un faisceau émis à partir du rayonnement solaire sur environ une distance de 213 m pour transmettre de la voix au moyen d’un appareil appelé « photophone ». Bien que ce soit le téléphone filaire que l’histoire a conservé pour la postérité, Bell a toujours considéré le photophone comme sa plus grande invention : « The greatest invention I have ever made ; greater than the telephone » [1]. Cette invention, qui n’est jamais devenue une réalité commerciale, a toutefois démontré et mis en œuvre le principe de base des communications optiques modernes où la fibre optique a remplacé les rayons du soleil. Le photophone ne s’est pas imposé devant le téléphone filaire et n’a pas pu se faire une place dans le monde des télécommunications en raison des trop faibles longueurs de transmission, de l’absence de sources lumineuses qui émettent d’une manière continue 24 heures sur 24, … Cependant, le concept est tout simplement resté une curiosité intéressante jusqu’au développement du laser. Après l’invention de ce dernier et durant les 40 dernières années, la technologie des systèmes de télécommunication basés sur les LOA (liaison optique aérienne) a été développée essentiellement pour des applications dans le domaine de la défense et de l’ingénierie aérospatiale. C’est le département de la défense des Etats-Unis qui fut le premier à reconnaître l’intérêt des LOA en raison de leur potentiel à assurer des liaisons qui ne pourraient pas être interceptées ni interrompues. La majeure partie des études concernant les télécommunications laser et la propagation du rayonnement laser dans l’atmosphère fut entreprise dans les années 1970 et 1980 dans le cadre du développement des systèmes militaires électro-optiques [2]. Ainsi, plusieurs systèmes de communication laser, basés sur les LOA, ont été développés dans les années 1980 pour assurer des liaisons sécurisées entre des navires militaires et pour des applications dans le domaine des communications sol-air. Durant la dernière décennie, un nombre important de ces systèmes furent utilisés pour différentes applications dans le domaine spatial (liaisons terre-satellite, inter satellitaire,. . .). En étudiant les principaux défis technologiques de l’ingénierie reliés à ces systèmes de télécommunication, cette activité de défense et d’ingénierie aérospatiale a contribué à établir une forte base technique et scientifique à partir de laquelle ont été fondés les systèmes 3 commerciaux de communication laser d’aujourd’hui. Les premiers systèmes de communication opérant en espace libre ainsi que les études de la propagation du rayonnement laser dans l’atmosphère, ont fourni une grande partie du fondement scientifique concernant les sources lasers, la propagation, le traitement de signal, l’interface optique de grande qualité, les structures mécaniques de haute stabilité, la technologie des détecteurs, … Cela a permis le développement commercial des systèmes de communication laser et a ouvert la voie à leur introduction dans le monde des communications. A la fin des années 1980, les LOA sont apparues comme une option commerciale qui s’est heurtée à plusieurs restrictions technologiques : faible capacité (débit), courte distance de transmission, problèmes d’alignement ainsi que leur vulnérabilité aux événements climatiques et aux conditions météorologiques. Une grande partie de ces problèmes fut surmontée et le développement de cette technologie s’est poursuivi. C’est à la fin des années 1990, avec l’apparition d’Internet et le grand besoin en matière de débit dans le secteur des télécommunications, que plusieurs compagnies ont développé une « nouvelle génération » des systèmes de communication laser basés sur les LOA pour l’usage commercial et l’ont introduit dans le secteur privé.
Définition et principe de fonctionnement des LOA
Les LOA, dénomination française de Free Space Optic (FSO), constituent une alternative aux faisceaux hertziens et aux câbles optiques afin de faire face aux besoins croissants en matière de télécommunication à débits élevés. C’est une technologie optique qui permet la transmission de tous types de données avec un débit égal à celui de la fibre optique tout en ayant la souplesse et les avantages du sans fil. Le principe de base de cette technologie est relativement simple. Il consiste en une transmission laser (l’infrarouge dans le domaine invisible), en espace libre (sans fil) et conçue pour la connexion de deux points en visibilité directe à un débit très élevé. A l’instar de la fibre optique, une LOA est une liaison point à point capable d’offrir les bandes passantes les plus élevées en matière de débit (de l’ordre de 1.5 Gbps). Contrairement à celle-ci, elle requiert une visibilité optique directe, ce qui implique le plus souvent une installation au sommet des immeubles. Les systèmes de télécommunication basés sur le principe des LOA fonctionnent en prenant un signal standard de données ou un signal de télécommunication, le numérisant et le transmettant à travers l’atmosphère. La façon la plus facile de visualiser le fonctionnement de ces systèmes est d’imaginer deux points interconnectés par un câble de fibre optique, puis de 4 retirer la fibre. Les équipements LOA utilisent la modulation d’un faisceau laser pour échanger des informations binaires dans les deux sens (Full-Duplex) par l’intermédiaire d’un couple Emetteur/Récepteur (diode laser, APD, LED/diode PIN) à chaque extrémité. La LOA est en général une liaison point à point, mais il peut fonctionner aussi en mode point à multipoint. La figure 1.01 nous montre la photographie de couple émetteur/récepteur pour LOA, c’est-à-dire cet équipement joue en même temps le rôle d’émetteur et de récepteur [3]. Figure 1.01 : Couple émetteur/récepteur pour LOA
Principe de fonctionnement des LOA
Conceptuellement, une LOA est simple ; un émetteur dirige un faisceau laser vers un récepteur. Le faisceau laser, de taille finie, concentre l’intensité dans la direction du récepteur et rend toute tentative de son interception par une tierce personne très difficile. A titre d’exemple, le faisceau couvre un cercle de moins de 4 m de diamètre environ à la réception, pour une liaison de 500 m. Cependant, le faisceau doit être dirigé avec précision dans la direction du récepteur. Les systèmes de communication laser en atmosphère libre peuvent inclure des dispositifs d’alignement actifs dans lesquels, la rétroaction du récepteur est utilisée afin de diriger automatiquement le faisceau vers le récepteur. Ces systèmes d’alignement actifs permettent une installation rapide et facile ainsi qu’une stabilisation optimale de la transmission (entre les toits des grands immeubles par exemple) lors de tremblement de terre, de mouvements reliés au vent ou consécutivement à toutes autres instabilités mécaniques du système. A la réception, le système doit fortement exclure la lumière ambiante (lumière du soleil entre autre) qui peut perturber le signal reçu. En pratique, le détecteur à la réception possède un champ de vue optique (voir figure 1.01) assez petit et le dispositif de réception comporte des filtres qui permettent de ne laisser passer que les longueurs d’onde souhaitées. 5 Les LOA exigent une visibilité directe entre l’émetteur et le récepteur (line-of-sight). Ceci signifie que l’émetteur et le récepteur doivent être installés sur les toits, sur les façades des bâtiments ou bien déployés à travers les fenêtres bien au dessus du sol. En effet, le faisceau ne doit pas être déployé à proximité des arbres où d’autres types d’obstructions qui peuvent se déplacer par le vent. Tout équipement LOA déployé à l’extérieur, doit être scellé hermétiquement afin d’éviter tout risque de pannes reliées aux conditions climatiques. Le système optique externe peut disposer d’un dégivreur afin d’éviter la formation de gel ou de buée. Les systèmes, actuellement en usage, fonctionnent à des longueurs d’onde dans le visible et le proche infrarouge, situées dans des fenêtres de transmission atmosphérique. Le multiplexage des longueurs d’onde est également possible mais rarement utilisé. Plusieurs facteurs conditionnent le choix de la longueur d’onde, à savoir, la sécurité oculaire, la pénétration dans l’atmosphère, le coût du laser, …. Les lasers utilisés ont une puissance énergétique limitée pour éviter d’éventuelles détériorations de l’œil humain. Leurs caractéristiques sont régies par le standard IEC 60825−1 de la sécurité oculaire. Le tableau suivant montre le spectre électromagnétique qui met en évidence l’utilisation de chaque bande. La bande utilisée par les LOA est aussi précisée dans la figure. Fréquence Longueur d’onde microondes térahertz rouge orange jaune vert cyan bleu violet ultraviolet rayons X rayons γ Bande ondes radio rayonnements pénétrants infrarouge lumière visible rayonnements ionisants LOA (0.55 à 1.55 µm) Tableau 1.01 : Spectre électromagnétique Plus précisément les fréquences et longueur d’ondes correspondantes aux rayonnements proche infrarouge et aux rayonnements visible sont : • proches Infrarouges (99,930 à 399,723 THz) -Ondes infrarouges B (100 à 214 THz ) -Ondes infrarouges A (214 à 374,740 THz)
Le débit
Le principal intérêt des LOA est, sans doute, le faible coût (voir figure 1.04), la flexibilité et la rapidité d’installation et de déploiement par rapport à la fibre optique pour assurer le même débit. Actuellement, plusieurs liaisons sont assurées à l’aide des systèmes LOA sur des distances qui varient entre quelques centaines de mètres et quelques Km à des débits de transmission standards : 155 Mbits/s, 622 Mbits/s, voire à plusieurs Gbits/s depuis 1998(un débit de 160 Gbits/s a été démontré en laboratoire) [4]. Les communications par laser présentent une bande passante supérieure à celle des faisceaux hertziens et celles des microondes. La plupart des équipements sont bidirectionnels (Full duplex) et associent dans le même coffret un émetteur à un récepteur. Certains systèmes gèrent plusieurs canaux de communication en utilisant le multiplexage en longueur d’onde, valable aussi bien pour les transmissions de données que pour les transmissions vidéo. La figure 1.02 montre un exemple typique d’une unité LOA permettant à la fois la réception et la transmission des données.
REMERCIEMENTS |
