Brevet FR2479618A1 — publié le 19811002

La présente invention se rapporte à un système de liaisons optiques bidirectionnelles par cables à fibres optiques et à un réseau de télédlstribu- tion comprenant un tel système. La télédistribution, largement repandue dans certains pays, va eneore- se développer plus rapidement dans les prochaines annexes Ce développe- ment est facilité par l'utilisation de cables de liaisons à libres optiques Dans les réseaux de télédistribution les plus simples, une station centrale (appelée dans ce qui suit central) transmet par un cable de liaison relié à des stations abonnées (appelées dans ce qui suit abonnés) un ou plusieurs programmes de télévision, des programmes de radiodiffusion AM/FM, ainsi qu'éventuellement des messages destinés à des abonnés particuliers.La sélection s'effectue en accordant å l'aide de filtres le récepteur dont est muni l'abonne sur une bande de fréquence déterminée, associée à un programme particulier Dans les réseaux plus élaborés, les transmissions sont bidirectionnelles Ces systèmes permettent, outre les facilités qui viennent d'être énumérées, le raccordement au système de télédistribution d'appareils tels que télex, de visiophone, etc ... L'abonné peut alors transmettre au central des ordres pour choisir un programme particulier (TV, AM/FM) qui seul lui sera transmis" ou émettre des ordres relatifs aux autres services disponibles. li peut en outre transmettre ses propres signaux vidéo, par exemple dans le cadre d'une liaison par îsio- phone. La transmission de signaux vidéo nécessite la mise en oeuvre de liaison à fort débit ou ce qui est équivalent à large bande passante Il a été tout 'abord utilisé dans le cadre de la télédistribution, des liaisons par cables électriques, coaxiaux par exemple Pour assurer un plus grand débit, il est avantageux de remplacer ces liaisons électriques par des liaisons assurées par des fibres optiques Les transmissions optiques bidirectionnelles couramment utilisées peu 'vent se classer selon deux approches fondamentales. Selon la première approche, les liaisons entre le central et les abonnés s'effectuent en utilisant une source de lumière dune première longueur d'onde modulée par les informations à transmettre. Les liaisons inverses entre les abonnés et le central s'effectuent en utilisant une source de lumière d'une seconde longueur d'onde, également modulée par les informa tions à transmettre entre les abonnés et le centraL Cette approche est, par exemple, décrite dans la demande de brevet française n0 74 Ol 800 déposée le 18 janvier 1974 et publiée sous le n 22 587 51 ou dans l'article de TAKEUCHI et aI "OPTICAL DIRECTIONAL FILTER AND ITS APPLICA TION TO THE BIDIRECTIONNAL TRANSMISSION SYSTEM" paru dans la publication néerlandaise ::"Fifth European Conference on Optical Communi cation, AMSTERDAM, 17-19 septembre 1979, pages 13. 2-1 à 13. 24. Selon la seconde approche, une seule longueur d'onde est mise en oeuvre pour les transmissions, d'une part, entre le central et les abonnés et, d'autre part, pour les transmissions inverses. La discrimination entre les deux sens de transmission s'effectue à l'aide de coupleurs directionnels. Cette dernière approche permet l'interversion des organes de transmission et de réception, cependant le risque de diaphonie est plus elevé. Cette approche est décrite par exemple, dans la demande de brevet français n 76 08 389, déposée le 23 mars 1976 et publiée sous le n 2 362 413 ou dans l'article de ICHIDA et al :"BIDIRECTIONAL VIDEZ TRANSMIS SION SYSTEM USING A SINGLE OPTICAL FIBER1, paru également dans la publication précitée, pages 20.3 - 1 à 20.3 - 4. Outre le risque de diaphonie qui vient dextre évoqué, les liaisons réalisées selon les deux approches précitées nécessitent pour être mises en oeuvre, le développement de composants spécifiques. D'autre part, les couplages entre le cable de télédistribution et les appareils émetteurs récepteurs du central et ceux des abonnés doivent introduire le moins de pertes possible. I1 s'en suit que des organes de couplage à haut rendement doivent être utilisés. Si ces organes ne participent que pour une faible part au coût des installations du central, il n'en est pas de même pour les appareils installés chez les abonnés. Une troisième approche consisterait à dédoubler le nombre de cables de liaisons pour réaliser des transmissions bidirectionnelles à l'aide de deux cables assurant les liaisons unidirectionnelles. Cette approche conduirait cependant à augmenter très fortement le prix de l'installation. D'autre part, seule la liaison dans le sens central-abonné est une liaison à fort débit (ou large bande passante). Il sten suit que la liaison inverse serait utilisée largement en dessous de ses capacités. L'invention propose un système de liaisons bidirectionnelles par voie optique ne mettant en oeuvre que des composants optoaelectroniques actuellement existants. Elle ne nécessite pas en outre l'utilisation de composants à haute performance pour assurer le couplage entre l'émetteur-récepteur installé chez l'abonné et le cable de liaisons optiques, minimisant ainsi les problèmes de connexion optique chez l'abonné et de ce fait me me réduisant le coût de son couplage au système de télédistribution. L'invention a donc pour objet. un système de liaisons bidirectionnelles par fibres optiques entre une première station et une seconde station chaque station comprenant des moyens opto-électroniques d'émission-réception d'énergie rayonnante ; système caractérisé en ce que les moyens d'émission-réception d'énergie rayonnante sont couplés optiquement à un cable de liaison unique , reliant les première et seconde stations et comprenant une fibre optique à saut d'indice et au moins une fibre optique à gradient d'indice. L'invention a encore pour objet un réseau de télédistribution mettant en oeuvre un tel système. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à l'aide de la description qui suit, en référence aux figures annexées: - la figure 1 illustre schématiquement un système de liaisons optiques bidirectionnelles par fibres optiques selon une première approche de l'art connu; - la figure 2 illustre une seconde approche de l'art connu; - la figure 3 illustre schématiquement l'architecture d'un réseau de télédistribution dans lequel l'invention peut être mise en oeuvre; - la figure 4 est une première variante de réalisation d'un cable utilisé dans le système de liaisons bidirectionnelles par fibres optiques selon l'invention; - la figure 5 est une seconde variante de réalisation de ce cable; - la figure 6 est une vue en coupe de ces cables; - les figures 7 et 8 illustrent des points particuliers de l'invention. Dans ce qui suit, des éléments communs à deux figures ou plus portent les mêmes références et ne seront décrits qu'une seule fois. La figure 1 illustre un exemple de système de liaisons bidirectionnelles par fibres optiques entre deux stations A et B selon une première approche de l'art connu. Pour fixer les idées, on supposera que chaque station, A et B, comporte un émetteur de signaux vidéo, respectivement S1 et S2, et un récepteur de signaux vidéo symbolisé par un écran de télévision, respectivement TV1 et TV2. Selon cette approche, on utilise deux longueurs d'ondes différentes : une première longueur d'onde pour les transmissions de signaux de la station A vers la station B, d'une part, et une seconde longueur d'onde 2 pour les transmissions inverses.La source de signaux Ss est associée à un organe opto-électronique E1 d'émission, produisant un faisceau lumineux de la première longueur d'onde 1 modulé par les signaux de l'émetteur S1 et transformé à l'aide de la lentille L10 en un faisceau de rayons parallèles transmis sur un miroir M10 qui réfléchit ce faisceau de rayons parallèles vers une lentille L1 de focalisation sur la terminaison tl d'une fibre de liaison f couplant la station A à la station B. Le faisceau de rayons parallèle traverse auparavant un miroir (ou une lame), semi-transpa rent M11 à la longueur d'onde \1 .Ce miroir M11 sert à réfléchir le rayonnement de la seconde longueur d'onde ts 2 vers un organe optoélectronique de détection R1, via une lentille de focalisation L11. La sortie de cet organe opto-électronique de détection est reliée à l'appareil de visualisation TV1.La station B comporte les mêmes éléments optiques et opto-électroniques que la station A: E2, R2, L20, L21' M20 M21L2 et t2. I1 est inutile de les redécrire. I1 faut cependant noter que. l'emettreur optoélectronique E2 doit produire un faisceau de rayons lumineux de longueur d'onde 2 et le miroir semi-transparent M21 doit réfléchir les rayons lumineux de longueur d'onde# 1 et transmettre les rayons lumineux de longuer d'onde#2. Une autre solution consiste à utiliser deux miroirs identiques, M11 et M21, et d'intervertir les places respectives des organes opto-électroniques d'émission et de réception, E2 et R2. Cette approche est décrite avec plus de détails dans la demande de brevet français n 74 018 00 et l'article de TAKEUCHI et al précités. Une seconde approche de l'art connu est illustrée par la figure 2. Cette approche ne met en oeuvre qu'une seule et unique longueur d'onde quelque soit le sens des transmissions considéré. On retrouve les principaux éléments décrits en relation avec la figure 1:S1 - E1, S2 - E2, R1 - TV1, R2 - TV2 et f qu'il est inutile de redécrire. Pour obtenir des liaisons bidirectionnelles, il est nécessaire dans ce cas d'utiliser des coupleurs directionnels, respective- ment DC1 et DC2.Le coupleur directionnel DC1 est relié d'une part à l'aide de deux fibres optiques f10 et fll' respectivement aux émetteur E1 et récepteur R1 d'une part, et å un connecteur C1, d'autre part, via la fibre f12. Il en est de me me pour la station B, dans laquelle le coupleur directionnel DC2 est relié à l'aide des fibres f20 à f22 respectivement à l'émetteur E2, au récepteur R2 et au connecteur C2. Les liaisons bidirec- tionnelles s'effectuent comme précédemment à l'aide d'une fibre optique f. Cet approche, décrite par exemple dans la demande de brevet frrançais n 76 083 89 et dans Narticle de ICHIDA et al, précités. Cette approche présente des risques plus élevés de diaphonie entre les voies montante A A#B et descendante B#A. Ces deux approches nécessitent en outre le développement de compo- sants spécifiques. autre part, bien que non limitée a cette seule applica- tion, l'Invention est particulièrement avantageuses dans le cadre d'un réseau de télédistribution. Comme il sera décrit ultérieurement, selon que l'on considère les transmissions dans les sens montant ou descendant, le débit d'information est fort différent. Il n'est donc pas nécessaire d'offrir la même capacité de transmission dans les deux sens. Enfin, si les organes destinés au couplage de la station centrale d'un réseau de télédistribution au cable assurant les liaisons ne représente qu'un faible court de l'installation, il n'en est pas de de me me des organes destinés au couplage des stations d'abonnes sur ce me me cable. En outre, ce couplage doit pouvoir s'effectuer de façon aisée, sans nécessiter de mise au point délicate. L'invention se propose de répondre à ces besoins. Avant de décrire une première variante de réalisation de l'invention, il est utile de rappeler l'architecture d'un réseau de télédistribution, dans lequel l'invention peut etre mise en oeuvre. La figure 3 illustre un exemple d'architecture d'un tel réseau. Une station centrale A, appelée dans ce qui suit de façon plus concise central, communique avec une station d'abonnée ou abonné B, par un cable C a assurant des liaisons bidirectionnelles par deux liaisons unidirectionnelles, symbolisées par L1 et L2. Bien qu'un seul abonné ait été représenté, dans la pratique, le nombre d'abonnés peut être très élevé.Pour fixer les idées, le central A assure l'émission simultanée de trois canaux vidéo, correspondant à deux programmes de télévision TVI et TV2, et à une liaison par visiophone VP, ainsi qu'un canai corresporiant à oe qu'il sera appelé dans ce qui suit "autres services Ces services peuvent comprend dre par exemple des transmissions télex, télétexte, ou encore la diffusion de programmes musicaux AMiFM en stéréophonie. Tous ces services sont simultanément disponibles et peuvent être choisis par un abonné B. L'mise sion des signaux correspondant aux services qui viennent d'être énumérés est assuré par les dispositifs A1 à A4.Ces dispositifs sont bien connus de l'homme de métier et sortent du cadre de l'invention. L'abonné B, pour effectuer le choix drun programme particulier, ou éventuellement de plu- sieurs programmes, peut transmettre au central A des signaux d'ordre de commutation des canaux vidéo: CVD, CTV ou encore ses propres signaux télex ou vidéophone, représentés sous la référence unique CSV. Les canaux ou voies correspondant aux "autres services" et les ordres de commande occupent une bande étroite de fréquence : quelques dizaines de KHZ, alors que les canaux correspondant à des signaux vidéo nécessitent environ 6 MHZ de bande de base. Plusieurs procédés de codage et de multiplexage peuvent être utilisés, mais l'un des plus couramment mis en oeuvre est le multiplexage en modulation de fréquence. Dans tous les cas, il est certain que les liaisons dans le sens descendant, central A vers l'abonné B, doivent pouvoir assurer un débit de transmissions bien plus élevé que la voie montante, abonné B vers central de commutation A. Les liaisons unidirectionnelles L1 et L2 représentées distinctes a' titre illustratif peuvent être confondues en une liaison bidirectionnelle unique, comme dans le cas des approches de l'art connu qui ont été décrites en relation avec les figures 1 et 2.L'ensemble constitue le cable de transmis sions bidirectionnelles Ca Pour fixer un ordre de grandeur, et dans le cas d'un multiplexage en fréquence des signaux transitant dans les liaisons L1 et L2, la bande passante nécessaire dans le sens descendant A B est de l'ordre de 100 MHz, alors que dans le sens montant B > A, elle est inférieure à 90 MHz, le rapport signallbruit vidéo étant supérieur à 40 dB et la distance central A abonné B étant de l'ordre de 3 km. Comme il est bien connu, une fibre optique est constituée par un guide de lumière central appelé coeur entouré d'une gaine destinée à empêcher les rayons lumineux de sortir de la fibre, l'ensemble étant protégé par une gaine supplémentaire, par exemple en silicone. Le coeur a un indice de réfraction optique différent de celui de la gaine. I1 existe essentiellement deux types de fibres optiques : les fibres à gradient d'indice de haute qualité du type dit de "télécommunication" et les fibres à saut d'indice. En ce qui concerne les fibres de la première catégorie, à gradient d'indice, l'indice de réfraction du coeur de la fibre varie selon un profil de forme parabolique, si on se déplace sur une droite passant par le centre de symétrie de la fibre, l'indice étant minimum en périphérie et maxirnum au centre. Ce type de fibre est obtenu par exemple par le procédé dit "MCVD" de rexpression anglo-saxonne :"modified chemical vapor deposition", qui peut se traduire par "procédé modifié de dépôt en phase gazeuse". Le coeur est en général à base de différents composés de silice et la gaine l'entourant en silice pure. En ce qui concerne les fibres à saut d'indice, tout au contraire, le coeur a un indice de réfraction constant quelque soit l'endroit où on se place. Ces fibres ont en général un diamètre plus important que les fibres du premier type et sont d'un prix de revient moins élevé que celles ci. Le coeur peut être en silice pure et la gaine en silicone. Selon un des aspects les plus importants de l'invention, le cable assurant les liaisons bidirectionnelles comprend deux fibres, I'une a gradient d'indice de faible diamètre, et l'autre à saut d'indice de gros diamètre. La liaison dans le sens descendant, central A-abonné B, s'effectuent par fibres à gradient d'indice, pouvant assurer une transmission d'informations à haut débit, la liaison dans le sens montant,abonné B-central A étant assurée par une fibre du type à saut d'indice. Un cable de télédistribution arrivant chez l'abonné doit être en outre de faible coût tout en présentant une résistance mécanique suffisante pour les manipulations de pose qu'il devra supporter. Selon li'invention, la fibre à saut d'indice de gros diamètre est utilisée comme porteur central, du fait de sa forte résistance à la traction, la fibre à gradient d'indice étant colinéaire, selon une première variante, à la fibre porteuse, ou disposée en hélice autour de cette fibre, selon une seconde variante. Les figures 4 et 5 illustrent, respectivement, les première et seconde variantes de réalisation d'un cable selon l'invention. Sur la figure 4, le cable C a assurant les liaisons bidirectionnelles entre un centrai A et un abonné B comprend deux fibres optiques fl, à gradient d'indice, et f2, à saut d'indice, cette dernière fibre étant utilisée comme élément porteur. Ces deux fibres fl et f2 sont entourées par une gaine protectrice 1 qui sera décrite en relation avec la figure 6. L'émission de lumière est assurée, par exemple, par un laser semiconducteur La pour les transmissions montantes A > B. Le rayonnement émis est détecté chez l'abonné par une photodiode D2 de type "PIN".Pour les transmissions descendantes B A, l'émission de lumière peut être assurée par une simple diode électroluminescente LED, le rayonnement émis étant également détecté par une photodiode de type "PIN", D1. Sur la figure 5, seules les fibres fl et f2 ont été représentées pour illustrer un exemple de réalisation de cable selon une seconde variante de Pinvention. Les références 10 et 11 repèrent sur les figures 4 et 5, respectivement le coeur et la gaine de la fibre à saut d'indice f2. La figure 6 illustre en coupe de façon plus détaillée la structure du cable de transmission selon l'invention, quelque soit la variante retenue. On retrouve sur cette figure les deux fibres optiques f1 et f2, cette dernière servant d'élément support. La fibre fl est gainée de silicone et la fibre f2 est enrobée par du copolymère d'éthylène et de tétrafluoréthylène, I'ensemble de ces deux fibres étant lui-même entouré par une gaine 2 du même matériau. Enfin, Ensemble est protégé par une gaine 1 en polychlorure de vinylidène PVC. Au sein de cette gaine, on peut prévoir des fibres de polyamide aromatique pour augmenter la résistance mécanique du cable Ca. Ces fibres 3 ont une résistance mécanique comparable à celle de l'acier, avec un facteur d'allongement très faible Les avantages de l'invention peuvent être résumés comme suit: Tous les composants optiques : fibres, composants opto-électroniques, émetteurs et détecteurs, sont des composants d'usage courant OU en cours d'industrialisation.Il n'y a donc pas dans le système de l'invention de composants spécifiques, ce qui tend à diminuer le coût des liaisons La fibre optique à saut d'indice f2' de gros diamètre sert également d'élément porteur, ce qui simplifie la structure du cable Ca Les organes de connexions optiques nécessaires pour coupler la station de l'abonné au réseau ont simplifiées et de ce fait diminuent le cou t du couplage.En effet, la connexion de la fibre à gradient d'indice, dont le diamètre de coeur est d'environ 50 m avec la photodiode "PIN", dont le diamètre actif est de plusieurs centaines de micromètres, ne pose aucun problème d'alignement du fait de la large marge de tolérances mécaniques disponible. On peut utiliser par exemple dans l'organe de connexion optique effectuant le couplage entre le cable de liaisons bidirectionnelles Ca utilisé par l'invention et la photodiode "PIN", une fibre intermédiaire ayant un diamètre de coeur de plusieurs centaines de micromètres. Ee couplage entre la diode électroluminescente LED et la fibre à saut d'indice f2 peut se comparer à un couplage entre deux fibres identiques f, f, illustrées sur la figure 8, ayant un diamètre de coeur important En effets en se plaçant dans un cas défavorable, le diamètre actif du coeur d'une fibre à saut d'indice est plus grand ou égal à 200 m et la diode électroluminescente LED a un diamètre actif de l'ordre de 200 m. Les pertes de couplage Pe en décibels sont alors analogues aux pertes dues au désalignement de deux fibres identiques.Les pertes P e en décibels en fonction du désalignement axial en m sont portées sur la courbe de la figure 7. Dans un cas plus favorable, la diode ayant un diamètre actif de l'ordre de 100 m par exemple par exemple, il s'en suit une marge de tolérances mécaniques d'environ 50 m. La connexion chez l'abonné ne nécessite donc que des connecteurs bon marché et d'installation aisée, sans exiger de mises au point délicates par des hommes de métier avertis. Pour illustrer Pinvention, un réseau de télédistribution incorporant le système de liaisons optiques bidirectionnelles par fibres optiques de l'invention a été expérimenté et les principales caractéristiques du système sont portées dans le tableau placé en fin de la présente description. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Notamment, le cable de liaisons optiques utilisé par l'inven tion peut comprendre plus de deux fibres et, par exemple non limitatif, plusieurs fibres à gradient d'indice f1 permettant de véhiculer un plus grand nombre d'informations dans le sens descendant AB. A.CABLE OPTIQUE Ca A.I. CARACTERISTIQUES MECANIQUES - diamètre extérieur &num; mm - rayon de courbure maximal &num;50 mm - traction maximale autorisée 20 kg - nombre de fibres: deux - une fibre à gradient d'indice f une fibre à saut indice f2 A.2. FIBRE A GRADIENT D'INDICE f1 (type"M.C.V.D.") -atténuation optique à 840 nm - ouverture numérique + 0.2 - diamètre de coeur &num; 50 m - diamètre de la gaine optique &num; 123 m -diamètre de la gaine protectrice en silicone w 400 m - bande passante > 800 MHz.km A.3.Fibre à saut d'indice f2 (type silicelsilicone) -atténuation à 840 nm - ouverture numérique + 0.25 - diamètre de coeur &num; 200 m - diamètre de la gaine optique &num; 400 m - diamètre de la gaine protectrice &num; 600 m - bande passante &num; 20 MHz.km B. RESEAU DE TELEDISTRIBUTION B.1. Généralités - longueur d'onde utilisée # = 840 nm - longueur du cable 3 km B.2. Liaison centrale de commutation A - Abonné B - bande passante nécessaire > 300MHz - niveau de signal optique disponible chez l'abonné > -15 dbm B.3. liaison abonné B -central de commutation A - bande passante nécessaire > 10 MHz - niveau du signai optique disponible au central de commutation > - 30 dBm REVENDICATIONS 1. Système de liaisons bidirectionnelles par fibres optiques entre une première station (A) et une seconde station (B), chaque station comprenant des moyens opto-électroniques d'émission-réception d'énergie rayonnante ; système caractérisé en ce que les moyens d'émission-reception d'énergie rayonnante sont couplés optiquement à un cable de liaison unique (Ca), reliant les premiere (A) et seconde (B) stations et comprenant une fibre optique à saut d'indice (f2) et au moins une fibre optique à gradient d'indice (f1). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cable (Ca) comprend une fibre axiale, à saut d'indice (f2), constituant l'élément porteur du cable et au moins une fibre à gradient d'indice (fl), colinéaire à la fibre à saut d'indice (f2). 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cable (Ca > comprend une fibre axiale, à saut d'indice (f2), constituant l'élément porteur du cable et au moins une fibre à gradient d'indice (fl), enroulée en hélice autour de la fibre à saut d'indice (f2). 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cable (Ca) comprend en outre au moins une gaine protectrice (1) en matériau plastique entourant les fibres optiques et en ce que des fibres (3) en matériau polyamide aromatique, noyées dans le matériau plastique de la gaine (1), sont disposées parallèlement à la fibre à saut d'indicelf2). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le cable comprend une première gaine protectrice (2) en copolymère d'éthylène et de tétrafluoréthylène entourée par une seconde gaine (1) en polychlorure de vinylidène. 6. Réseau de télédistribution comprenant une première station (A) centrale comportant au moins des dispositifs émetteurs-récepteurs (A1, A2, A3) de signaux vidéo (TV1, TV2, VP) ; au moins une deuxième station constituée par le poste d'un abonné raccordé au réseau de télédistribution, comprenant des récepteurs de ces signaux vidéo (TV1, TV2, VP) ainsi qu'au moins des émetteurs de signaux de commandes (CTV, CVP) et un système de liaisons bidirectionnelles par fibres optiques comprenant des moyens optoélectroniques d'émission-réception d'énergie rayonnante et un cable de liaison (Ca) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ; réseau caractérisé en ce que les moyens d'émission-réception d'énergie rayonnante de la première station (A) comprennent une diode laser (La) et une photodiode (D1), couplée respectivement à la fibre à gradient d'indice (f1) et à la fibre à saut d'indice (f2) du cable de liaison (Ca); et en ce que les moyens d'émission-réception d'énergie rayonnante de la deuxième station (B) comprennent une diode électroluminescente (LED) et une photodiode (D2), couplées respectivement à la fibre à saut d'indice (f1) et à la fibre à gradient d'indice (f2). 7. Cable (Ca) pour des liaisons optiques bidirectionnelles entre une première station (A) et une seconde station (B) caractérisé en ce qui contient une fibre optique à saut d'indice (f2), constituant l'élément porteur du cable, et au moins une fibre optique à gradient d'indice