Rapport Technique

Projet 13 – Rapport Technique
Conception d’une optique diffractive
pour une liaison optique haut débit
courte distance en espace libre
2008 – 2009
Communication, photonique, optique, diffraction,
nouvelle technologie, Vcsel, haut débit
Équipe : Besnier Alexandre Client : Foucal Vincent
Navarro Antoine Tuteur : Meyrueis Patrick
Petit Damien
Raddenzati Aurélien
Version 1.2 – Mai 2009

Interconnexions optiques
en free-space
2008 Rapport Technique - Version 1.1 i

Interconnexions optiques
en free-space
Remerciements
De nombreuses personnes ont contribué à la réalisation de ce projet. Nous
voudrions remercier tout d’abord les chercheurs du Lsp, et notamment Patrick
Meyrueis qui a supervisé ce projet, Patrice Twardowski qui nous a suivi tout
au long de la conception de notre lentille, Bernard Kress sans qui la réalisation
de la lentille n’aurait pas été possible, et enfin Bruno Serio et Victorien Rollot
qui ont fait tout leur possible pour réaliser et découper notre lentille.
Nous sommes également reconnaissant auprès de Vincent Foucal et François
Quentel de l’entreprise D-Lightsys de nous avoir proposé ce projet innovant, de
nous avoir fait confiance pour le mener à bien, et de nous avoir fourni les éléments
nécessaires à son aboutissement.
Nous remercions enfin Bernard Zann de nous avoir fait profiter de sa connais-
sance du fonctionnement des équipes projet, ainsi que Jessica Marioni pour nous
avoir aidé à monter notre demande de bourse auprès d’Oseo.
2008 Rapport Technique - Version 1.1 ii

Interconnexions optiques
en free-space
Résumé
La société D-Lightsys développe et produit des dispositifs d’interconnexions
opto-électroniques dans différents environnements comme l’aéronautique ou les ra-
dars. Fabriquant déjà des modules de communication sur fibre optique, elle déve-
loppe actuellement de nouveaux outils de communication en espace libre, c’est à
dire sans support physique et à haut débit.
Le but de ce projet est d’améliorer cette nouvelle technologie en passant d’une
architecture point-à-point vers du point-multipoint en vue d’une intégration dans
les calculateurs présents dans les avions ou au sol. Ce système sera, par conséquent,
soumis à des contraintes sévères. Pour réaliser cette amélioration, il a été proposé
d’utiliser de l’optique diffractive pour partager le faisceau et l’envoyer sur différents
modules de réception.
Le travail s’est vu séparé en deux grandes parties. La première année a été
entièrement consacrée aux études technologiques des domaines relatifs au projet et
à l’élaboration du cahier des charges. Enfin, la deuxième année a été la réalisation
du prototype, incluant les différentes simulations qui ont permis de concevoir la
lentille diffractive ainsi que l’exécution de tests caractérisant notre système.
Abstract
D-Lightsys manufactures many optical interconnexion devices applied in many
field such as aeronautic or radars. This company designs communication modules
using fiber optics, but, nowadays, it develops, new mean of communication without
any physical support called « free-space » technology.
The main goal of this project is to improve this new technique from a point
to point architecture to a point-multipoint one in order to insert them into plane
calculating or to integrate them on systems on the ground. That’s the consequence,
our prototype will be subjected to tough constraints. The key point of this project
is the diffraction effect : indeed, we designed an optical diffractive lens to split the
beam in two to send them on the different reception modules.
The work has been divided into two grand parts. During the first year, we
mainly studied the technologies existing in our final prototype and we set the
specifications of our system with the client. Then, during the second year, we have
manufactured our prototype including the different simulations which enable to
design our diffractive lens, and then, the tests’ carrying out describing our system.
2008 Rapport Technique - Version 1.1 iii

Interconnexions optiques
en free-space
Table des matières
Introduction 1
1 Le Free-Space 2
1.1 Description d’une communication en espace libre ........... 2
1.1.1 Définition ............................ 2
1.1.2 Structure du système ...................... 2
1.1.3 Système optique ......................... 3
1.2 Performance d’une liaison en espace libre ............... 4
1.2.1 Positionnement relatif des éléments .............. 4
1.2.2 Influence des désalignements .................. 6
1.3 Comparaison entre l’optique et l’électronique ............. 9
1.3.1 La physique ........................... 9
1.3.2 Transmission des données ................... 9
1.3.3 Économie d’énergie ....................... 11
1.3.4 Implémentation ......................... 11
2 Les Lasers12
2.1 Introduction à la théorie des Lasers................. 12
2.1.1 Les différents types d’émission ................. 12
2.1.1.1 L’émission spontanée ................. 13
2.1.1.2 L’émission stimulée .................. 13
2.1.2 L’inversion de population .................... 13
2.1.3 Le résonateur optique ...................... 15
2.1.4 Les modes transversaux .................... 17
2.2 Laser à semi-conducteur ........................ 17
2.2.1 La jonction PN ......................... 19
2.2.1.1 Rappel des propriétés d’un semi-conducteur . . . . 19
2.2.1.2 La jonction ...................... 20
2.2.2 Le laser à semi-conducteur ................... 23
2.2.3 Le Vcsel ............................ 25
3 L’optique diffractive 28
3.1 La Théorie de la diffraction ...................... 28
3.1.1 Principe de Huygens–Fresnel ............... 28
2008 Rapport Technique - Version 1.1 iv