Optique sans fil

Pierre-Noël Favennec, de Fornel Frédérique, Christian Boisrobert, Hervé Sizun, Olivier Bouchet

Description

L'objectif de cet ouvrage est de présenter l'optique en espace libre. Déjà utilisée pour les échanges d'informations courantes, cette technique de télécommunication qui présente de nombreux avantages (débits, coûts faibles, mobilité des matériels, sécurité) va s'imposer et devenir incontournable dans des architectures informatiques et de télécommunications futures. Des raisons réglementaires, économiques et de performance conditionnent le renouveau des liaisons optiques atmosphériques face aux liaisons radio. À l'heure où les volumes d'informations à transmettre sont de plus en plus grands, la liaison optique atmosphérique est à bien évaluer. Elle constitue un mode de transmission sans fil avec de très hauts débits (quelques Gbit/s) sur des courtes et moyennes portées (jusqu'à quelques kilomètres). Un historique sur les communications optiques sans fil et un rappel d'électromagnétisme appliqué à l'optique en espace libre sont tout d'abord présentés. Puis, les émetteurs et récepteurs des faisceaux optiques sont détaillés. Ils sont la base de toute communication optique et c'est par ces dispositifs que la progression des performances est devenue très sensible. Les problèmes de propagation des photons que ce soit sans ou avec obstacles sont largement développés. Ils sont la clé de toute bonne compréhension des systèmes modernes de communication utilisant l'optique non filaire. Les normes, les problèmes de sécurité et de confidentialité sont également traités.

Sujets

• Techniques
• Electronique et Télécommunications
• Electronique et Télécommunications
• Ingénieurie et sciences appliquées
• Ingénieurie et sciences appliquées
• Information Theory
• Computers
• Informatique
• Ordinateur
• Technique
• Opto-électronique
• Théorie de l'information
• Électronique
• Télécommunications

Informations

• Publié par: Hermès - Editions Lavoisier
• Date de parution: 01 septembre 2022
• Nombre de lectures: 0
• EAN13: 9782746217430
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 14 Mo

Extrait

Optique sans fil

Cet ouvrage appartient à la Collection Technique et Scientifique des Télécommunications (CTST), publiée sous l’égide du GET (Groupe des écoles des télécommunications), avec le soutien de France Télécom R&D. Cette collection rend compte des derniers développements dans l’ensemble des domaines des sciences et technologies de l’information et de la communication.

Tous les noms de sociétés ou de produits cités dans cet ouvrage sont utilisés à des fins d’identification et sont des marques de leurs détenteurs respectifs.

© GET et Lavoisier, Paris, 2004 LAVOISIER 11, rue Lavoisier 75008 Paris

Serveur web : www.hermes-science.com

ISBN 2-7462-0941-1

Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5, d'une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective » et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, « toute représentation ou reproduction intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite » (article L. 122-4). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle.

Illustration de couverture réalisée par l’Atelier Isatis.

Optique sans fil

Propagation et communication

Olivier Bouchet Hervé Sizun Christian Boisrobert Frédérique de Fornel Pierre-Noël Favennec

C OLLECTION T ECHNIQUE ET S CIENTIFIQUE DES T ÉLÉCOMMUNICATIONS

Directeur de la collection Pierre-Noël F AVENNEC

Comité scientifique de la collection Président: Claude G UÉGUEN –GET/Direction scientifique, Michel B ERNE –GET/INT, Evry Frédéric B OUSSINOT –INRIA, Sophia Antipolis Fanny C ARMAGNAT –France Télécom R&D, Issy-les-Moulineaux Guy C ARRÈRE –France Télécom R&D, Issy-les-Moulineaux Jacques C ITERNE –INSA Rennes/CNRS Marc D ACIER –Institut Eurécom, Sophia Antipolis Frédérique DE F ORNEL –LPUB/CNRS, Dijon Gérard H ÉBUTERNE –GET/INT, Evry Claude K INTZIG –France Télécom R&D, Issy-les-Moulineaux Xavier L AGRANGE –GET/ENST Bretagne Jean-Yves L E T RAON –APAST, Lannion Lionel L EVASSEUR –France Télécom Interactive, Issy-les-Moulineaux Jean-François M ONIN –France Télécom R&D, Lannion Nicolas M OREAU –GET/Télécom Paris Michel N EY –GET/ENST Bretagne Gérard P OULAIN –France Télécom R&D, Lannion Gilles P RIVAT –France Télécom R&D, Grenoble Pierre R OLIN –France Télécom R&D, Issy-les-Moulineaux

Serveur web : ctst.get-telecom.fr

Les auteurs

Olivier Bouchet, ingénieur de recherche à France Télécom R&D à Rennes, est en charge du projet de liaisons optiques atmosphériques (LOA) pour les télécommunications à très hauts débits.

Hervé Sizun, ingénieur à France Télécom R&D, est spécialiste de la pro- pagation en espace libre des ondes électromagnétiques (radio et optique). Il participe aux travaux du secteur Radiocommunications de l’Union Internationale des Télécommunications (UIT-R).

Christian Boisrobert a été en 1974, au CNET à Lannion, l’un des réali- sateurs de la première liaison numérique par fibres optiques en France. Professeur à l’université de Nantes depuis 1996, il enseigne toutes les connaissances et les expériences acquises au cours d’une car- rière de 22 ans au Centre National d’Etudes des Télécommunications.

Frédérique de Fornel est directeur de recherche au CNRS, spécialiste reconnue mondialement sur les ondes évanescentes et la propagation optique guidée et non guidée, elle dirige l’équipe de recherche «Optique de champ proche» au Laboratoire de Physique de l’université de Bourgogne. Elle est également présidente de la commission «Electronique et Photonique» du CNFRS (URSI France) et vice-prési- dente de cette même commission à l’URSI (Union Radio Scientifique Internationale).

Pierre-Noël Favennec, docteur ès-sciences physiques, est ingénieur consultant. Auteur d’ouvrages scientifiques, il est le directeur de la Collection Technique et Scientifique des Télécommunications et prési- dent du Comité National Français de Radioélectricité Scientifique (CNFRS, URSI France).

Table des matières

Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 1. Histoire des télécommunications optiques. . . . . . . . . . . . . 1.1. Quelques définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1. Télécommunication. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2. Télécommunication optique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3. Onde radioélectrique ou hertzienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. La préhistoire des télécommunications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Le télégraphe optique aérien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Le code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Le télégraphe optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. Lhéliographe ou télégraphe solaire : système de télécommunication portatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7. Le photophone dAlexandre Graham Bell . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 2. Rappel délectromagnétisme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Rappel sur les équations de Maxwell dans un milieu quelconque . . . . 2.3. Propagation des ondes électromagnétiques dans un milieu homogène isotrope et linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Energie transportée par londe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Propagation dans des milieux complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Ondes cohérentes et incohérentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Passage de lélectromagnétisme classique à loptique des rayons . . . . 2.8. Le spectre électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9. Unités et échelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10. Exemples de sources dans le domaine visible et proche visible . . . . 2.11. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

17 17 17 18 18 18 19 23 25

27 28

31 31 31

33 35 36 37 39 41 42 44 46

8 Optique sans fil

Chapitre 3. Emission et réception de faisceaux optiques. . . . . . . . . . . . 3.1. Préambule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Radiométrie : rappel des notions fondamentales . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Fenêtres spectrales, matériaux et sécurité oculaire . . . . . . . . . . . . . 3.5. Les émetteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1. Les diodes émettrices dondes incohérentes à spectres larges . . . 3.5.1.1. Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1.2. Diagrammes de rayonnement, champs proches et champs lointains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1.3. Caractéristiques spectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1.4. Caractéristiques électriques et optiques. . . . . . . . . . . . . 3.5.2. Les diodes laser : flux énergétiques élevés, ondes cohérentes . . . 3.5.2.1. Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2.2. Caractéristique «Φ. .» : statique et dynamique (I ) émis injecté 3.5.2.3. Spectres et champs proches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2.4. Instabilités spectrales et bruit dintensité . . . . . . . . . . . . 3.5.3. Utilisation des amplificateurs à fibres dopées « dions terres rares » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Les photodétecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1. Rappels : fenêtre spectrale et matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2. Principe de fonctionnement et structures . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2.1. Les phénomènes de surface : réflexion optique et charges mobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2.2. Absorption et conduction : les jonctions à semi-conducteur 3.6.3. Rendement quantique, temps de transit, capacité de jonction et courant dobscurité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.4. Les photodiodes à avalanche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 4. Propagation en visibilité directe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Influence du milieu de propagation (un peu de théorie) . . . . . . . . . . 4.1.1. Labsorption atmosphérique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2. La diffusion atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3. Lextinction et la transmission spectrale globale . . . . . . . . . . 4.1.4. Latmosphère terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4.1. La composition gazeuse de latmosphère. . . . . . . . . . . . 4.1.4.2. Les particules en suspension (aérosols) . . . . . . . . . . . . . 4.2. Visibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.1. Définitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.2. Unités et échelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.3. Besoins dans le domaine de la météorologie. . . . . . . . . .

47 47 48 49 53 55 56 56

56 59 60 61 61 62 62 67

67 68 69 69

69 70

72 76

81 81 82 83 84 84 85 86 87 87 87 89 90

Table des matières 9

4.2.1.4. Méthodes de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2. Estimation visuelle de la portée optique météorologique. . . . . . 4.2.2.1. Généralités. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2.2. Estimation de la portée optique météorologique de jour . . . 4.2.2.3. Estimation de la portée optique météorologique de nuit . . . 4.2.2.4. Estimation de la portée optique météorologique en labsence de repères éloignés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3. Mesure instrumentale de la POM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.1. Généralités. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.2. Instruments de mesure du coefficient dextinction . . . . . . 4.2.3.3. Instruments de mesure du coefficient de diffusion . . . . . . 4.2.3.4. Exposition et implantation des instruments . . . . . . . . . . 4.3. Les affaiblissements atmosphériques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Affaiblissement par absorption moléculaire . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Affaiblissement par diffusion moléculaire . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3. Affaiblissement par absorption par les aérosols . . . . . . . . . . . 4.4. Les perturbations météorologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Affaiblissement par diffusion de Mie . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1.1. Aspect théorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1.2. Aspect modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Affaiblissement par les nuages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3. Affaiblissement par le brouillard, la brume . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4. Affaiblissement par les précipitations . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4.1. La pluie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4.2. Autres hydrométéores (neige, grêle) . . . . . . . . . . . . . 4.4.5. Réfraction et scintillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Les liaisons optiques atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 5. Propagation dun faisceau optique en milieu confiné. . . . . . 5.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Les différents mécanismes de propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Les liaisons en visibilité directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2. Les liaisons en visibilité directe étendue ou cellulaire . . . . . . . 5.2.3. Les liaisons réfléchies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3.1. La réflexion spéculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3.2. La réflexion diffuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Le canal de propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1. Description du canal de propagation infrarouge . . . . . . . . . . . 5.3.2. Caractérisation du canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Les modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1. Modèle à une seule réflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2. Modèle statistique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90 91 91 92 93

95 95 95 96 98 100 101 101 103 104 105 105 105 109 115 117 120 120 126 129 134

137 137 138 139 140 141 142 142 147 147 149 151 151 154

10 Optique sans fil

5.4.2.1. Affaiblissement en espace libre . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2.2. Réponse impulsionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3. Modèle à décroissance exponentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.4. Modèle Ceiling bounce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Puissance supplémentaire nécessaire pour atteindre un débit binaire donné . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.1. Puissance supplémentaire nécessaire et dispersion des retards . . 5.5.2. La modulation OOK (On-Off Keying) . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.3. La modulation PPM (Pulse-Position Modulation) . . . . . . . . . 5.5.4. La modulation MSM (Multiple-Subcarrier Modulation. . . . .) . 5.6. Le bruit optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.1. La lumière émise par un filament de tungstène . . . . . . . . . . . 5.6.2. La lumière émise par un tube fluorescent à basse fréquence. . . . 5.6.3. La lumière émise par un tube fluorescent à haute fréquence. . . . 5.6.4. Les émetteurs audio infrarouge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.5. Les systèmes de télécommande à infrarouge des téléviseurs . . . 5.6.6. Les effets de la lumière du jour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.7. Modélisation de la lumière artificielle . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7. Conclusion et comparaison entre les médias infrarouge et radio . . . .

Chapitre 6. Communication optique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1. Rappel sur la numérisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Exemples dapplications des lasers hors communication optique . . . . 6.2.1. Secteur BTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2. Secteur industriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3. Secteur médical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.4. Secteur grand public . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Communications optiques intersatellites ou Terre-satellite . . . . . . . . 6.3.1. Communications optiques Terre-satellite . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2. Communications optiques intersatellites . . . . . . . . . . . . . . . 6.4. Communications optiques atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1. Introduction  Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2. Caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2.1. Paramètres principaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2.2. Paramètres secondaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2.3. Exemples de systèmes installés . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.3. Temps de transit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.4. Recommandations dimplémentation . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.5. Législation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.5.1. Lorganisation des activités de réglementation en radiocommunications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.5.2. Réglementation des équipements LOA . . . . . . . . . . . . .

154 155 160 160

162 162 162 165 165 166 166 166 166 167 167 168 169 171

173 173 175 175 175 176 176 177 177 177 178 178 181 181 182 182 184 184 185

185 187