Communication optique en espace libre - Free-space optical communication

Une liaison laser optique en espace libre à 8 faisceaux, évaluée à 1 Gbit/s. Le récepteur est la grande lentille au milieu, les émetteurs les plus petits. Dans le coin supérieur droit se trouve un monoculaire pour aider à l'alignement des deux têtes.

La communication optique en espace libre ( FSO ) est une technologie de communication optique qui utilise la lumière se propageant dans l'espace libre pour transmettre sans fil des données pour les télécommunications ou les réseaux informatiques . « Espace libre » signifie l'air, l'espace extra-atmosphérique, le vide ou quelque chose de similaire. Cela contraste avec l'utilisation de solides tels que les câbles à fibres optiques .

La technologie est utile lorsque les connexions physiques ne sont pas pratiques en raison de coûts élevés ou d'autres considérations.

Histoire

Un récepteur de photophone et un casque, la moitié du système de télécommunication optique de Bell et Tainter de 1880

Les communications optiques , sous diverses formes, sont utilisées depuis des milliers d'années. Les anciens Grecs utilisaient un système alphabétique codé de signalisation avec des torches développé par Cléoxène, Démocléite et Polybe . À l'ère moderne, des sémaphores et des télégraphes solaires sans fil appelés héliographes ont été développés, utilisant des signaux codés pour communiquer avec leurs destinataires.

En 1880, Alexander Graham Bell et son assistant Charles Sumner Tainter créèrent le photophone dans le nouveau laboratoire Volta de Bell à Washington, DC . Bell le considérait comme son invention la plus importante. L'appareil permettait la transmission du son sur un faisceau lumineux . Le 3 juin 1880, Bell a effectué la première transmission téléphonique sans fil au monde entre deux bâtiments, distants d'environ 213 mètres (700 pieds).

Sa première utilisation pratique est venue dans les systèmes de communication militaires plusieurs décennies plus tard, d'abord pour la télégraphie optique. Les troupes coloniales allemandes ont utilisé des émetteurs télégraphiques héliographes pendant le génocide Herero et Namaqua à partir de 1904, dans le sud-ouest de l'Afrique allemande (aujourd'hui Namibie ) tout comme les signaux britanniques, français, américains ou ottomans.

Blinkgerät allemand de la Première Guerre mondiale

Pendant la guerre des tranchées de la Première Guerre mondiale, lorsque les communications par fil étaient souvent coupées, les signaux allemands utilisaient trois types d'émetteurs optiques Morse appelés Blinkgerät , le type intermédiaire pour des distances allant jusqu'à 4 km (2,5 miles) à la lumière du jour et jusqu'à 8 km ( 5 miles) la nuit, en utilisant des filtres rouges pour les communications non détectées. Les communications téléphoniques optiques ont été testées à la fin de la guerre, mais n'ont pas été introduites au niveau des troupes. De plus, des blinkgeräts spéciaux ont été utilisés pour la communication avec les avions, les ballons et les chars, avec un succès variable.

Une étape technologique majeure a été de remplacer le code Morse en modulant les ondes optiques dans la transmission de la parole. Carl Zeiss, Jena a développé le Lichtsprechgerät 80/80 (traduction littérale : dispositif de parole optique) que l'armée allemande utilisait dans ses unités de défense anti-aérienne de la Seconde Guerre mondiale, ou dans les bunkers du mur de l' Atlantique .

L'invention des lasers dans les années 1960 a révolutionné l'optique en espace libre. Les organisations militaires s'y sont particulièrement intéressées et ont accéléré leur développement. Cependant, la technologie a perdu de l'élan sur le marché lorsque l'installation de réseaux de fibres optiques à usage civil était à son apogée.

De nombreuses télécommandes grand public simples et peu coûteuses utilisent une communication à faible vitesse utilisant la lumière infrarouge (IR). C'est ce qu'on appelle les technologies IR grand public .

Usages et technologies

Des liaisons optiques point à point en espace libre peuvent être mises en œuvre à l'aide de la lumière laser infrarouge, bien qu'une communication à faible débit de données sur de courtes distances soit possible à l'aide de LED . La technologie Infrared Data Association (IrDA) est une forme très simple de communication optique en espace libre. Du côté des communications, la technologie FSO est considérée comme faisant partie des applications de communications optiques sans fil . L'optique en espace libre peut être utilisée pour les communications entre les engins spatiaux .

Produits commerciaux

  • En 2008, MRV Communications a introduit un système basé sur l'optique en espace libre (FSO) avec un débit de données de 10 Gbit/s revendiquant initialement une distance de 2 km (1,2 mi) à haute disponibilité. Cet équipement n'est plus disponible; avant la fin de vie, la distance utile du produit a été ramenée à 350 m (1 150 ft).
  • En 2013, la société MOSTCOM a commencé à produire en série un nouveau système de communication sans fil qui avait également un débit de données de 10 Gbit/s ainsi qu'une portée améliorée allant jusqu'à 2,5 km (1,6 mi), mais pour atteindre 99,99 % de disponibilité, le les concepteurs ont utilisé une solution hybride RF, ce qui signifie que le débit de données chute à des niveaux extrêmement bas lors de perturbations atmosphériques (généralement jusqu'à 10 Mbit/s). En avril 2014, la société avec le Centre Scientifique et Technologique "Fiord" a démontré la vitesse de transmission de 30 Gbit/s dans des "conditions de laboratoire". En 2018, Mostcom a commencé à exporter un système 30 Gbps sur le marché mondial des télécommunications.
  • LightPointe propose de nombreuses solutions hybrides similaires à l'offre de MOSTCOM.

Distances utiles

La fiabilité des unités FSO a toujours été un problème pour les télécommunications commerciales. De manière constante, les études trouvent trop de paquets abandonnés et d'erreurs de signal sur de petites distances (400 à 500 mètres (1 300 à 1 600 pieds)). Cela provient à la fois d'études indépendantes, comme en République tchèque, ainsi que d'études internes formelles à l'échelle nationale, comme celle menée par le personnel de MRV FSO. Les études militaires produisent systématiquement des estimations de fiabilité plus longues, projetant la portée maximale des liaisons terrestres de l'ordre de 2 à 3 km (1,2 à 1,9 mi). Toutes les études conviennent que la stabilité et la qualité de la liaison dépendent fortement de facteurs atmosphériques tels que la pluie, le brouillard, la poussière et la chaleur. Des relais peuvent être utilisés pour étendre la portée des communications FSO.

Allonger la distance utile

Art conceptuel officiel DARPA ORCA créé c.  2008

La principale raison pour laquelle les communications terrestres ont été limitées aux fonctions de télécommunications non commerciales est le brouillard. Le brouillard empêche systématiquement les liaisons laser FSO de plus de 500 mètres (1 600 pieds) d'atteindre un taux d'erreur binaire de 1 pour 100 000 tout au long de l'année. Plusieurs entités tentent continuellement de surmonter ces inconvénients majeurs des communications FSO et de mettre en place un système avec une meilleure qualité de service. La DARPA a parrainé plus de 130 millions de dollars américains dans la recherche vers cet effort, avec les programmes ORCA et ORCLE.

D'autres groupes non gouvernementaux mettent en place des tests pour évaluer différentes technologies qui, selon certains, ont la capacité de relever les principaux défis d'adoption des FSO. En octobre 2014, aucun n'avait mis en place un système fonctionnel qui traite les événements atmosphériques les plus courants.

La recherche de l'OFS de 1998 à 2006 dans le secteur privé a totalisé 407,1 millions de dollars, répartis principalement entre quatre entreprises en démarrage. Tous les quatre n'ont pas réussi à fournir des produits qui répondraient aux normes de qualité et de distance des télécommunications :

  • Terabeam a reçu un financement d'environ 575 millions de dollars d'investisseurs tels que Softbank, Mobius Venture Capital et Oakhill Venture Partners. AT&T et Lucent ont soutenu cette tentative. Le travail a finalement échoué et la société a été achetée en 2004 pour 52 millions de dollars (hors bons de souscription et options) par YDI, basée à Falls Church, en Virginie, le 22 juin 2004 et a utilisé le nom de Terabeam pour la nouvelle entité. Le 4 septembre 2007, Terabeam (alors basée à San Jose, Californie) a annoncé qu'elle allait changer son nom pour Proxim Wireless Corporation et changer son symbole boursier NASDAQ de TRBM à PRXM.
  • AirFiber a reçu 96,1 millions de dollars de financement et n'a jamais résolu le problème de la météo. Ils se sont vendus aux communications MRV en 2003, et MRV a vendu leurs unités FSO jusqu'en 2012, date à laquelle la fin de vie a été brusquement annoncée pour la série Terescope.
  • LightPointe Communications a reçu 76 millions de dollars de fonds de démarrage et s'est finalement réorganisée pour vendre des unités hybrides FSO-RF afin de surmonter les défis météorologiques.
  • La Maxima Corporation a publié sa théorie de fonctionnement dans Science et a reçu un financement de 9 millions de dollars avant de fermer définitivement. Aucun spin-off ou achat connu n'a suivi cet effort.
  • Wireless Excellence a développé et lancé des solutions CableFree UNITY qui combinent FSO avec des technologies à ondes millimétriques et radio pour étendre la distance, la capacité et la disponibilité, dans le but de faire de FSO une technologie plus utile et pratique.

Une entreprise privée a publié un article le 20 novembre 2014, affirmant qu'elle avait atteint une fiabilité commerciale (disponibilité de 99,999 %) dans un brouillard extrême. Rien n'indique que ce produit soit actuellement disponible dans le commerce.

Extra-terrestre

Les énormes avantages de la communication laser dans l'espace ont poussé plusieurs agences spatiales à se précipiter pour développer une plate-forme de communication spatiale stable, avec de nombreuses démonstrations et réalisations importantes.

Systèmes opérationnels

La première communication par laser gigabit a été réalisée par l'Agence spatiale européenne et appelée European Data Relay System (EDRS) le 28 novembre 2014. Le système est opérationnel et utilisé quotidiennement.

Démonstrations

L' OPALS de la NASA a annoncé une percée dans la communication espace-sol le 9 décembre 2014, en téléchargeant 175 mégaoctets en 3,5 secondes. Leur système est également capable de réacquérir le suivi après la perte du signal en raison de la couverture nuageuse.

Aux petites heures du matin du 18 octobre 2013, la démonstration de communication laser lunaire (LLCD) de la NASA est entrée dans l'histoire, transmettant des données de l'orbite lunaire à la Terre à une vitesse de 622 mégabits par seconde (Mbit/s). LLCD a été embarqué à bord du satellite Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), dont la mission scientifique principale était d'étudier l'atmosphère ténue et exotique qui existe autour de la lune.

En janvier 2013, la NASA a utilisé des lasers pour transmettre une image de la Joconde à l'orbiteur de reconnaissance lunaire à environ 390 000 km (240 000 mi). Pour compenser les interférences atmosphériques, un algorithme de code de correction d'erreur similaire à celui utilisé dans les CD a été mis en œuvre.

Un record de distance bidirectionnelle pour la communication a été établi par l'instrument altimètre laser Mercury à bord du vaisseau spatial MESSENGER , et a pu communiquer sur une distance de 24 millions de km (15 millions de miles), alors que l'engin s'approchait de la Terre lors d'un survol en Mai 2005. Le précédent record avait été établi avec une détection unidirectionnelle de la lumière laser de la Terre, par la sonde Galileo, de 6 millions de km (3,7 millions de mi) en 1992. Citation de Laser Communication in Space Demonstrations (EDRS)

Un usage commercial

Diverses constellations de satellites telles que SpaceX Starlink sont destinées à fournir une couverture mondiale à large bande en utilisant une communication laser pour les liaisons inter-satellites entre plusieurs centaines de milliers de satellites créant efficacement un réseau maillé optique spatial .

LED

RONJA est une implémentation gratuite de FSO utilisant des LED à haute intensité .

En 2001, Twibright Labs a sorti RONJA Metropolis , un FSO LED Full Duplex DIY open source de 10 Mbit/s sur 1,4 km (0,87 mi).

En 2004, un Consortium Visible Light Communication a été formé au Japon . Ceci était basé sur les travaux de chercheurs qui ont utilisé un système d'éclairage spatial à LED blanches pour les communications du réseau local (LAN) intérieur . Ces systèmes présentent des avantages par rapport aux systèmes RF UHF traditionnels en termes d'isolation améliorée entre les systèmes, de taille et de coût des récepteurs/émetteurs, de lois sur les licences RF et en combinant l'éclairage spatial et la communication dans le même système. En janvier 2009, un groupe de travail pour la communication par la lumière visible a été formé par le groupe de travail de l' Institute of Electrical and Electronics Engineers pour les normes de réseau personnel sans fil connues sous le nom de IEEE 802.15.7 . Un essai a été annoncé en 2010, à St. Cloud, Minnesota .

Les opérateurs de radio amateur ont atteint des distances beaucoup plus éloignées en utilisant des sources de lumière incohérentes provenant de LED à haute intensité. L'un a signalé 173 miles (278 km) en 2007. Cependant, les limitations physiques de l'équipement utilisaient des bandes passantes limitées à environ 4 kHz . Les hautes sensibilités requises du détecteur pour couvrir de telles distances ont fait que la capacité interne de la photodiode utilisait un facteur dominant dans l'amplificateur à haute impédance qui la suivait, formant ainsi naturellement un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure dans le 4 kHz. gamme. Les lasers peuvent atteindre des débits de données très élevés qui sont comparables aux communications par fibre.

Les débits de données projetés et les demandes futures de débit de données varient. Une LED blanche à faible coût (GaN-phosphore) qui pourrait être utilisée pour l'éclairage de l'espace peut généralement être modulée jusqu'à 20 MHz. Des débits de données de plus de 100 Mbit/s peuvent être facilement atteints en utilisant des schémas de modulation efficaces et Siemens a affirmé avoir atteint plus de 500 Mbit/s en 2010. Une recherche publiée en 2009 a utilisé un système similaire pour le contrôle du trafic de véhicules automatisés avec feux de circulation à LED.

En septembre 2013, pureLiFi, la start-up d'Édimbourg travaillant sur le Li-Fi , a également démontré une connectivité point à point à haut débit en utilisant n'importe quelle ampoule LED du commerce. Dans des travaux antérieurs, des LED spécialisées à large bande passante ont été utilisées pour atteindre des débits de données élevés. Le nouveau système, le Li-1st , maximise la bande passante optique disponible pour tout appareil LED, réduisant ainsi les coûts et améliorant les performances de déploiement des systèmes FSO intérieurs.

Détails techniques

En règle générale, les meilleurs scénarios d'utilisation de cette technologie sont :

  • Connexions LAN à LAN sur les campus à des vitesses Fast Ethernet ou Gigabit Ethernet
  • Connexions LAN-to-LAN dans une ville , un réseau métropolitain
  • Traverser une voie publique ou d'autres barrières que l'expéditeur et le destinataire ne possèdent pas
  • Prestation rapide de services d'accès à large bande passante aux réseaux de fibre optique
  • Connexion voix-données convergente
  • Installation temporaire du réseau (pour des événements ou à d'autres fins)
  • Rétablir la connexion haut débit rapidement ( reprise après sinistre )
  • Comme alternative ou mise à niveau complémentaire aux technologies sans fil existantes
    • Particulièrement puissant en combinaison avec des systèmes de visée automatique, pour alimenter des voitures en mouvement ou un ordinateur portable en mouvement. ou d'utiliser des nœuds à visée automatique pour créer un réseau avec d'autres nœuds.
  • En tant que module complémentaire de sécurité pour les connexions fibre optique importantes (redondance)
  • Pour les communications entre engins spatiaux , y compris les éléments d' une constellation de satellites
  • Pour la communication inter et intra-puce

Le faisceau lumineux peut être très étroit, ce qui rend le FSO difficile à intercepter, améliorant ainsi la sécurité. Il est relativement facile de crypter toutes les données transitant par la connexion FSO pour une sécurité supplémentaire. FSO offre un comportement d' interférence électromagnétique (EMI) considérablement amélioré par rapport à l'utilisation de micro-ondes .

Avantages techniques

Facteurs limitant la portée

Pour les applications terrestres, les principaux facteurs limitants sont :

Ces facteurs provoquent un signal de récepteur atténué et conduisent à un taux d' erreur binaire (BER) plus élevé . Pour surmonter ces problèmes, les fournisseurs ont trouvé des solutions, comme les architectures multi-faisceaux ou multi-chemins, qui utilisent plus d'un expéditeur et plus d'un récepteur. Certains appareils à la pointe de la technologie ont également une marge de décoloration plus importante (puissance supplémentaire, réservée à la pluie, au smog, au brouillard). Pour garder un environnement sans danger pour les yeux, les bons systèmes FSO ont une densité de puissance laser limitée et prennent en charge les classes laser 1 ou 1M. L'atténuation atmosphérique et le brouillard, qui sont de nature exponentielle, limitent la portée pratique des dispositifs FSO à plusieurs kilomètres. Cependant, les optiques en espace libre basées sur une longueur d'onde de 1550 nm ont une perte optique considérablement plus faible que les optiques en espace libre utilisant une longueur d'onde de 830 nm , dans des conditions de brouillard dense. Les systèmes FSO utilisant une longueur d'onde de 1550 nm sont capables de transmettre une puissance plusieurs fois supérieure à celle des systèmes de 850 nm et sont sans danger pour l'œil humain (classe 1M). De plus, certaines optiques en espace libre, telles que EC SYSTEM, garantissent une fiabilité de connexion plus élevée dans de mauvaises conditions météorologiques en surveillant en permanence la qualité de la liaison pour réguler la puissance de transmission de la diode laser avec un contrôle de gain automatique intégré.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes