Optique sans fil

Introduction
Bien avant les travaux de l’abbé Claude Chappe, pendant des millénaires, les
procédés de communication, bien que très primitifs, mettaient en œuvre des moyens
optiques de transmission. Mais les quantités d’information communiquées restaient
faibles. Les télécommunications, qui ne seront d’abord uniquement qu’optiques, ne
commencent vraiment qu’à la fin du XVIIIe siècle avec l’apparition du télégraphe
optique. Pendant cinquante ans, l’optique sans fil a alors permis les communications
entre les individus et sur de longues distances. Mais la qualité de service, la QoS,
était faible ; les émetteurs et les récepteurs, les hommes et les matériels, manquaient
de reproductibilité et de fiabilité, et le milieu de transmission, l’air, était changeant.
Rapidement, l’électricité (les charges électriques) et le cuivre ont remplacé
l’optique (les photons) et l’air. Le transport d’informations sur ligne de cuivre
permet des débits relativement importants. Au début du 3e millénaire, ces liaisons
ayant le cuivre comme support sont encore largement exploitées. Pour les très
grandes distances, pendant de nombreuses décennies, le cuivre a constitué le
matériau de base, il a permis de couvrir notre planète d’un vaste réseau de
transmission de l’information.
L’invention du laser en 1960 a ouvert la voie à une autre solution – celle des
télécommunications optiques sur fibres optiques – qui offre une capacité de
transmission quasi illimitée. En 1970-1971, la mise au point quasi simultanée de la
fibre optique à faible atténuation et du laser à semi-conducteur émettant en régime
continu à la température ambiante a permis l’explosion des communications
optiques filaires. Le verre est le milieu de transmission des photons, et les fibres de
verre peuvent avoir des longueurs de plusieurs milliers de kilomètres. L’optique
filaire règne actuellement de façon incontestée dans les transmissions sous-marines,
les transmissions à grande distance, les transmissions interurbaines. Elle est l’élément
incontournable des autoroutes de l’information.
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Optique sans fil
Pour les courtes distances, pour le fameux « dernier kilomètre » ou last mile, des
télécommunicants, de nombreuses techniques sont en concurrence, filaire ou non
filaire : électricité sur cuivre (xDSL, courants porteurs…), optique filaire (verre ou
polymère), radio (GSM, UMTS, WiFi, WiMax, UWB…) et dorénavant optique sans
fil. Chacune a ses avantages et ses inconvénients en termes de débits, de distance de
transmission, de coûts, de QoS.
Depuis la libéralisation du secteur des télécommunications, des motivations
apparaissent pour les transmissions de signaux numériques par faisceau laser dans
l’atmosphère. A l’heure où les liens entre sites se multiplient avec de plus en plus de
volumes d’informations à transmettre, la liaison optique atmosphérique (LOA)
constitue un mode de transmission sans fil haut débit (quelques Gbit/s) à courte et
moyenne portée (de quelques dizaines de mètres à quelques kilomètres). Le principe
de la liaison atmosphérique est une interconnexion sans fil qui permet de faire
communiquer entre eux des réseaux numériques, téléphoniques, informatiques ou
vidéo. Ce type de liaison, permettant des débits élevés d’informations, est bien
adapté pour des liaisons courtes et par extension à des réseaux à dimensionnement
limité (campus communicant sans fil, par exemple).
Plusieurs raisons conditionnent le renouveau des liaisons optiques atmosphériques.
Tout d’abord des raisons réglementaires, il n’y a pas besoin d’autorisations de
fréquence ou de licence particulière pour exploiter de telles liaisons, contrairement
aux liaisons radio. Ensuite, des raisons économiques, car le déploiement d’une
liaison sans fil est plus facile, plus rapide et moins coûteux pour un opérateur que
l’ingénierie des câbles optiques. Enfin, la course aux débits donne l’optique
gagnante par rapport à la radio (même pour les ondes millimétriques) pour les
débits souhaitables de quelques Gbit/s. De plus, la disponibilité des composants
(lasers, récepteurs, modulateurs…) largement exploités dans les technologies des
télécommunications sur fibres optiques réduit les coûts des équipements. Le marché
mondial de la transmission de données numériques sans fil est basé aujourd’hui
essentiellement sur les technologies hertziennes. Or, elles ont des limites et elles ne
pourront pas absorber à elles seules, avec une largeur spectrale limitée, le
développement croissant des besoins en débits.
Tout au long de cet ouvrage, la longueur d’onde de 1,5 µm reste privilégiée dans
la présentation. Pour les autres longueurs d’onde des photons, les démonstrations et
raisonnement sont applicables. Mais le choix de 1,5 µm par les auteurs est volontaire
car ils pensent que celle-ci sera la longueur d’onde de base pour les systèmes de
communication optique sans fil et à hauts débits. Parmi les avantages de cette
longueur d’onde, on note une plus grande sécurité oculaire, des composants
industriels disponibles, une émission de photons à 1,5 µm à partir de semiconducteurs ou à partir de la terre rare erbium, la possibilité de systèmes de
communication prolongateurs d’autres systèmes de communication sur fibres et
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donc fonctionnant à 1,5 µm, de moindres perturbations par les lumières ambiantes
(soleil, éclairages divers, télécommandes, etc.)…
L’objectif de cet ouvrage est de présenter cette optique en espace libre utilisée
déjà pour les échanges d’informations courantes mais qui, de par ses nombreux
avantages (débits, coûts faibles, mobilité des matériels, sécurité…) va exploser
comme technique de télécommunication durant la prochaine décennie et même
devenir incontournable dans des architectures informatiques et de télécommunications.
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 décrits, ils sont la base de toute
communication optique et c’est avant tout 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 futurs de communication utilisant l’optique non
filaire. Les normes, les problèmes de sécurité et de confidentialité sont développés.