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. 14 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 Introduction 15 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.