Brevet FR2598574A1 — publié le 19871113

Procédé et dispositif optiques de transmission de données à multiplexage de fréquence L'invention concerne les dispositifs de trans5 mission de données par voie optique et elle trouve une application particulièrement importante dans les liaisons entre satellites (notamment entre un satellite placé sur une orbite basse et un satellite géostationnaire). On a déjà proposé d'utiliser, pour les liaisons optiques entre satellites, des diodes laser en tant que sources lumineuses. Les diodes laser ont l'avantage d'être de petite taille et fiables, d'avoir un rendement élevé et une durée de vie importante. Parmi les diodes 15 laser, les diodes à l'arseniure de gallium présentent un intérêt particulier: des diodes monomode capables de fournir une puissance allant jusqu'à 50 mW environ en continu existent aujourd'hui dans la plage de longueur d'onde comprise entre 810 et 850 nm, et des capteurs de 20 bon rendement sont disponibles dans la plage de longueur d'onde comprise entre 400 et 1100 nm. L'indisponibilité de puissances plus élevées et l'importance des débits numériques à transmettre (typiquement 500 Mbit/s) ou l'intérêt de transmettre plu25 sieurs canaux indépendants rendent cependant nécessaire d'associer plusieurs diodes laser. Diverses techniques de sommation de puissance et de multiplexage ont déjà été proposées. Elles sont résumées dans l'article de Begley et autres "Selection of laser diode beam 30 combining techniques for free space communication" (janvier 1986, S.P.I.E., Los Angeles). Les techniques proposées présentent cependant des inconvénients graves. En particulier, beaucoup utilisent des lames dichroiques travaillant en incidence oblique pour assurer le 35 multiplexage ou le démultiplexage (cette seconde opération étant la plus difficile à réaliser, car elle doit assurer une bonne isolation entre voies adjacentes). Ces lames dichroiques ne permettent d'atteindre le résultat recherché que très imparfaitement et imposent notamment un écart de longueur d'onde important entre canaux. On a également proposé d'utiliser la très forte polarisation que présente la lumière émise par les diodes laser pour assurer, non pas un multiplexage en fréquence, mais l'accumulation suivant un seul trajet de 10 sortie des faisceaux provenant de plusieurs diodes. Cette solution ne permet pas non plus d'arriver à un résultat satisfaisant du fait notamment que l'on a mis en oeuvre jusqu'ici des composants travaillant en incidence oblique pour ramener les faisceaux suivant le 15 même axe. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif de multiplexage en fréquence, utilisant le taux de polarisation élevé des diodes laser pour faciliter le multiplexage en fréquence et augmenter le 20 nombre de voies disponibles dans une plage déterminée. Dans ce but, l'invention propose un procédé optique de transmission de données à multiplexage de fréquence, caractérisé en ce que l'on superpose, suivant un même trajet de sortie, l'émission d'au moins trois 25 diodes laser dont les longueurs d'onde nominales d'émission peuvent avoir une séparation inférieure à la largeur de bande des canaux, la composante de lumière provenant d'une diode ayant une polarisation croisée avec la polarisation de la lumière provenant des diodes 30 ayant des longueurs d'onde adjacentes, dans le faisceau de sortie. L'invention propose également un dispositif de transmission optique à multiplexage d'au moins trois voies de longueurs d'onde différentes, ayant un émetteur 35 comprenant: - trois diodes laser fournissant des faisceaux optiques polarisés linéairement et à trois longueurs d'onde différentes A2, A3 et A4, - sur le trajet de la lumière de longueur d'onde A2 émise par une des diodes, un ensemble comportant une 5 lame quart d'onde pour la longueur d'onde (2A2 - A4), un filtre de transmission de la longueur d'onde A2, une lame quart d'onde pour la longueur d'onde A4 et un polariseur, la diode de longueur d'onde A2 étant orientée pour que son faisceau soit transmis par le polariseur, - des moyens pour diriger la lumière de longueur d'onde A4 provenant d'une autre diode sur le polariseur à 90 du faisceau de longueur d'onde A2 et avec la même direction de polarisation, de sorte que le faisceau de longueur d'onde A4 est réfléchi vers le filtre, - et des moyens pour diriger la lumière de longueur d'onde A3, intermédiaire entre A2 et A4, sur le polariseur à l'opposé de la lumière de longueur d'onde A4 et avec une polarisation de même sens, de façon que la lumière de longueur d'onde A3 soit réfléchie suivant 20 un trajet coaxial au trajet de sortie des longueurs d'onde A2 et A4. Les derniers moyens mentionnés peuvent être utilisés pour multiplexer la longueur d'onde,A3 et une longueur d'onde 1 hors de l'intervalle allant de A2 à A4 Ces derniers moyens peuvent avoir la même constitution que ledit ensemble, mais recevoir deux faisceaux de lumière de longueurs d'onde A1 et A3 ayant un plan de polarisation perpendiculaire à celui de la lumière de longueurs d'onde A2 et A4. Il est possible d'augmenter encore le nombre de longueurs d'onde, dans toute la mesure autorisée par la bande de fréquence dans laquelle peuvent travailler les sources et les détecteurs de lumière. L'invention propose également un dispositif de 35 transmission complet comprenant un récepteur ayant une constitution dans une large mesure symétrique de celle de l'émetteur. Etant donné que l'orientation du récepteur par rapport à l'émetteur peut changer, il sera généralement nécessaire de placer, sur les faisceaux de sortie, une lame quart d'onde pour la fréquence moyenne 5 de la plage de transmission afin d'obtenir un faisceau à polarisation circulaire. Par ailleurs, les surfaces optiques de réflexion devront être traitées de façon à conserver au maximum la polarisation. Il est important de relever que le dispositif 10 n'utilise que des filtres travaillant en incidence normale et des lames quart d'onde parfaitement adaptées, sauf en ce qui concerne la lame destinée à donner une polarisation circulaire au faisceau de sortie. On réduit ainsi les pertes et on évite les distorsions et pertes 15 de polarisation beaucoup plus que dans les systèmes antérieurement connus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier d'exécution et d'une variante, donnés à titre d'exemples non 20 limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la Figure 1 est un schéma montrant une constitution possible de l'émetteur d'un dispositif de transmission à multiplexage de quatre fréquences, - la Figure 2 montre une répartition possible des fréquences dans l'émetteur de la Figure 1, - la Figure 3, similaire à la Figure 1, montre un émetteur & multiplexage de six fréquences, - la Figure 4 est un schéma d'un récepteur 30 utilisable en liaison avec l'émetteur de la Figure 1. L'émetteur montré en Figure 1 est destiné à multiplexer quatre canaux à fréquences XA1, A2, A3 et A4 sur un même faisceau de sortie 10 orientable. Les quatre canaux comportent chacun une source de lumière polarisée 35 qu'on supposera être une diode laser GaAs, avec A1 = 821 nm, A2 = 827 nm, A3 = 833 nm et A4 = 839 nm (Figure 2). L'écartement entre deux longueurs d'onde adjacentes n'est que de 6 nm mais, du fait de la polarisation croisée dans deux voies adjacentes, il est possible d'accepter une largeur de bande pour chaque diode 5 supérieure à 6 nm, ce qui a deux conséquences: d'une part, il n'est pas nécessaire d'utiliser un filtre à bande étroite qui augmenterait les pertes; d'autre part, il n'est pas nécessaire que les diodes laser aient une émission exactement centrée sur les valeurs définies 10 ci-dessus, ce qui facilite leur obtention et réduit l'incidence de la variation de longueur d'onde due au vieillissement et à l'imperfection de la stabilisation en température de ces diodes. La lumière émise par une diode laser est natu15 rellement polarisée dans le plan de la jonction de la diode et le faisceau fourni par une telle diode est notablement elliptique. Etant donné que l'on veut obtenir, à la sortie, une ellipticité qui est la même pour toutes les voies de façon qu'il soit possible de x former un faisceau cylindrique à l'aide d'un anamorphoseur 12, on sera fréquemment amené à placer toutes les diodes laser avec la même orientation et à intercaler, sur les voies qui doivent avoir une polarisation croisée avec les autres, une lame A/2. Le multiplexeur de l'émetteur montré en Figure 1 comprend un ensemble 14 qui comporte, sur le trajet de la lumière de longueur d'onde A2, ayant un premier sens de polarisation s, une première lame 16, un filtre 18 de fréquence centrale correspondant à la longueur d'onde 30 A2, une seconde lame 20 et enfin un cube polariseur 22. La diode laser qui émet la lumière à la longueur d'onde A4 est placée de façon à avoir également la polarisation a et à fournir un faisceau qui tombe sur le bloc polariseur 22 orthogonalement au premier. La lame 20 est ajustée de façon à être quart d'onde pour la longueur d'onde A4/4. La lame 16 correspond & (2A2 - A4)/4. Dans ces conditions, La lumière de longueur d'onde A4, de polarisation s, est réfléchie par le bloc polariseur 22 vers 5 la lame 20. Elle traverse la lame 20, qui lui donne une polarisation circulaire, puis est réfléchie par le filtre 18, car ce filtre est centré sur la longueur d'onde A2. La lumière retraverse la lame 20 qui lui donne une polarisation rectiligne, cette fois de sens 2, 10 ce qui lui permet de traverser le polariseur 22 et de sortir avec une polarisation P. - La lumière de longueur d'onde A2, de polarisation s, est polarisée pratiquement circulairement par la lame 16 qui est presque quart d'onde pour A2 (A2 - A4 15 étant faible par rapport & A2). La lumière traverse ensuite le filtre 18 centré sur A2. Elle prend la polarisation linéaire P en traversant la lame 20 (l'ensemble des lames 16 et 20 ayant un effet identique à celui d'une lame unique A2/2). Cette lumière est ensuite 20 transmise par le polariseur 22 et sort du multiplexeur dans le même faisceau que la lumière de longueur d'onde A4, en polarisation P. Pour assurer le multiplexage d'une troisième voie, il suffit d'envoyer la lumière correspondante sur 25 le bloc polariseur 22 en sens inverse de la lumière de longueur d'onde A4. Dans le cas représenté sur la Figure 1, le multiplexeur comprend un second ensemble destiné à multiplexer les longueurs d'onde A1 et A3. L'ensemble 24 comporte, sur le trajet de la 30 lumière de longueur d'onde A3, une lame 26 d'épaisseur (2A3 - A1)/4, un filtre 28 centré sur A3, une lame 30 quart d'onde pour A1 et un cube polariseur 32. La lumière de longueur d'onde A1, de sens de polarisation P, est transmise par le polariseur 32, 35 traverse la lame 30 qui lui donne une polarisation circulaire, est réfléchie par le filtre 28 centré sur A3, reprend une polarisation linéaire (cette fois de sens a) à son deuxième passage dans la lame 30 et est alors réfléchie par le polariseur 32 vers le polariseur 22. Elle sort du multiplexeur avec la polarisation s. Enfin, la lumière de longueur d'onde A3 entre avec la polarisation linéaire R dans l'ensemble 24. La lame 26 lui donne une polarisation pratiquement circulaire. La lumière est transmise par le filtre 28 centré sur A3. La lame 30 lui donne une polarisation 10 rectiligne de direction s. Enfin, la lumière est réfléchie successivement par les deux polariseurs 32 et 22 et sort du multiplexeur en polarisation s. A la sortie du multiplexeur, une lame 34, pouvant être une lame quart d'onde pour la longueur 15 d'onde (AÀ1 + A4)/2, c'est-à-dire la moyenne dans la plage allant de A1 à A4, fournit un faisceau en polarisation circulaire. Les divers composants ont une constitution qui peut être classique. Les polariseurs 22 et 32 sont par 20 exemple constitués par des empilements de couches minces sur des prismes de verre. On peut aisément obtenir des coefficients de transmission et de réflexion atteignant 98%. Des lames quart d'onde sont couramment disponibles dans le commerce. Les filtres 18 et 28 peuvent être 25 constitués en technologie couche mince. Du fait qu'ils travaillent en incidence normale, ils présentent une bande passante bien définie. Il faut remarquer au passage que, en associant à chaque diode laser un collimateur approprié, on peut 30 obtenir un faisceau de sortie très peu divergent et donc faire travailler l'ensemble des éléments optiques dans de bonnes conditions. Le maintien des caractéristiques, et notamment de l'indice des verres, peut être assuré par régulation thermique. Des impératifs de sécurité peuvent amener a prévoir une redondance de chacune des sources. Sur la Figure 1, seule a été représentée la source destinée a fournir la longueur d'onde A1. Elle comporte deux diodes laser 341 et 342, munies de leurs circuits d'alimentation et de leurs circuits de régulation thermique par 5 effet Peltier 361 et 362. Un collimateur 381 ou 382 est placé à la sortie de chaque diode. Le faisceau provenant de la diode 341 traverse directement un polariseur 40 avant d'arriver sur le polariseur 32. Sur le trajet du faisceau de sortie de la diode 342, qUi arrive sur 10 l'analyseur à 90 du faisceau de sortie de la diode 341, est interposée une lame 42 demi-onde pour la ilongueur d'onde ÀA1. Lorsque c'est la diode 342 qui est utilisée, une lame de compensation 44, demi-onde pour A>, est placée à la sortie du polariseur 40. Il est possible de multiplexer un nombre de longueurs d'onde supérieur à 4. La Figure 3 montre, à titre d'exemple, un multiplexeur d'émission fournissant un faisceau de sortie comportant six longueurs d'onde échelonnées A1, A2... A6. Les composantes de longueurs 20 d'onde A1, A3 et A5 du faisceau de sortie ont une polarisation s, tandis que les composantes A2, A4, A6 ont une polarisation P. Le multiplexage exige simplement d'ajouter un ensemble 46 comportant un polariseur 48, deux filtres 50 et 52 et quatre lames quart d'onde aux 25 moyens prévus dans le cas de la Figure 1. Il est possible de multiplexer un nombre encore accru de longueurs d'onde mais, dans la pratique, il est difficile de dépasser six faisceaux d'entrée lorsque l'on utilise comme sources des diodes laser. Les lames quart d'onde ne sont plus, dans le cas de la Figure 3, parfaitement appairées mais cela art pratiquement sans incidence sur les performances car.. mauvaise polarisation ne se retrouve pas dans le faisceau de sortie. En effet, il devient difficile d'avoir ies filtres suffisamment sélectifs pour réfléchir totalement une longueur d'onde et transmettre totalement une autre longueur d'onde lorsque les deux valeurs sont trop proches. Au lieu d'utiliser une répartition du genre 5 montré en Figure 2 (éventuellement étendue à six fréquences), on peut encore adopter des valeurs égales et des polarisations croisées pour AÀ1 et A2, A3 et A4, etc. On peut ainsi augmenter encore le nombre des fréquences. Il suffit en effet pour arriver à ce 10 résultat que les filtres aient un coefficient de transmission très élevé pour la longueur d'onde qui leur est associée (AÀ2 et A3 dans le cas de la Figure 1), une bonne réflexion et une très faible transmission pour les longueurs d'onde adjacentes ou égales ayant une polari15 sation croisée, c'est-à-dire k1 par rapport au filtre 28 et A4 par rapport au filtre 18. L'émetteur, lorsqu'il est monté sur satellite, sera complété par un dispositif de pointage et un télescope, schématisé sur la Figure 1 en 54. Le télescope 20 peut être du type Cassegrain. Le dispositif de pointage comportera avantageusement, d'une part, un miroir de pointage grossier, d'autre part, un miroir de pointage fin. Etant donné les distances de parcours, il sera nécessaire de prévoir soit un système de poursuite, soit 25 un système de calcul tenant compte de la nécessité de "pointer en avant" du récepteur du fait que le temps mis par la lumière pour aller de l'émetteur au récepteur n'est pas négligeable. Il n'est pas nécessaire ici de définir les 30 dispositifs d'asservissement ou de calculs, car ils peuvent avoir l'une des constitutions connues pour les liaisons entre satellites. Le démultiplexeur prévu dans le récepteur aura généralement une constitution symétrique de celle du 35 multiplexeur. La Figure 4 montre, à titre d'exemple, un démultiplexeur pouvant appartenir à un dispositif dont l'émetteur est du type montré en Figure 1. Le démultiplexeur, placé en aval d'une lame quart d'onde 56, comporte un premier cube polariseur 58 qui transmet les longueurs d'onde A1 et A3 qui présentent une polarisa5 tion p, et réfléchit les longueurs d'onde A2 et A4, de polarisation a. Sur le trajet du faisceau contenant les longueurs d'onde A1 et A3 sont interposés successivement une lame 60, quart d'onde pour A1 et un filtre 62 centré sur A3. La longueur d'onde A1 est réfléchie par le 10 filtre et sa double traversée de la lame 60 ayant fait tourner sa polarisation de 90', elle est réfléchie par le polariseur 58 et sort suivant un trajet orthogonal à celui de la composante A3. Un filtre 64,centré sur Al peut être interposé à la sortie du polariseur sur le 15 trajet de la composante A1. Un second cube polariseur 66, également associé & une lame 68, quart d'onde pour A4, et un filtre 70 centré sur A2, assurent la séparation des composantes A2 et A4. Un filtre 72, centré sur A4, peut être interposé 20 sur le trajet de sortie de A4. Il est important de noter que, dans le démultiplexeur, les filtres 62 et 70 travaillent en réflexion sur une longueur d'onde qui n'est pas directement adjacente à la longueur d'onde sur laquelle ils travaillent 25 en transmission, ce qui améliore l'isolation. Il n'est pas nécessaire de décrire ici le démultiplexeur associé au multiplexeur de la Figure 3, étant donné qu'il découle directement des indications ci-dessus. L'invention ne se limite pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend & toute variante restant dans le cadre des équivalences et couvertes par les revendications 35 ci-jointes. REVENDICATIONS 1. Procédé optique de transmission de données à multiplexage de fréquence, caractérisé en ce que l'on 5 superpose, suivant un même trajet de sortie, l'émission d'au moins trois diodes laser dont les longueurs d'onde centrales d'émission sont séparées, la composante de lumière provenant d'une diode ayant une polarisation croisée avec la polarisation de la lumière provenant des 10 diodes ayant des longueurs d'onde adjacentes, dans le faisceau de sortie. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les longueurs d'onde centrales d'émission ont une séparation inférieure à la largeur de bande des canaux de transmission. 3. Dispositif de transmission optique à multiplexage d'au moins trois voies de longueurs d'onde différentes, caractérisé en ce que son émetteur comprend: - trois diodes laser fournissant des faisceaux optiques polarisés linéairement et à trois longueurs d'onde différentes À2, A3 et A4, - sur le trajet de la lumière de longueur d'onde A2 émise par une des diodes, un ensemble comportant une 25 lame (16) quart d'onde pour la longueur d'onde (2A2 A4), un filtre (18) de transmission de la longueuid'onde ÀA2, une lame (20) quart d'onde pour la longueur d'onde A4 et un polariseur (22), la diode de longueur d'onde A2 étant orientée pour que son faisceau soit 30 transmis par le polariseur, - des premiers moyens pour diriger la lumière,D longueur d'onde ÀA4 provenant d'une autre diode sur Ie polariseur (22) à 90 du faisceau de longueur d'onde A et avec la même direction de polarisation, de sorte que 35 le faisceau de longueur d'onde A4 est réfléchi vers le filtre (18), - et des seconds moyens pour diriger la lumière de longueur d'onde A3, intermédiaire entre A2 et A4, sur le polariseur (22) à l'opposé de la lumière de longueur d'onde A4 et avec une polarisation de même sens, de 5 façon que la lumière de longueur d'onde A3 soit réfléchie suivant un trajet coaxial au trajet de sortie des longueurs d'onde A2 et A4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les seconds moyens (24) multiplexent la 10 longueur d'onde A3 et une longueur d'onde A1 hors de l'intervalle allant de A2 à A4. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les seconds moyens ont la même constitution que ledit ensemble, mais reçoivent deux faisceaux 15 de lumière de longueurs d'onde A1 et A3 ayant un plan de polarisation perpendiculaire à celui des longueurs d'onde A2,et A4. 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premiers moyens comportent éga20 lement un polariseur supplémentaire recevant, dans deux directions opposées orthogonales à sa sortie, deux faisceaux présentant la même polarisation, l'un des faisceaux traversant, avant d'arriver au polariseur, une lame sensiblement quart d'onde, un filtre pour la 25 longueur d'onde de ce faisceau et une lame quart d'onde pour la longueur d'onde de l'autre faisceau. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une lame interposée sur le faisceau de sortie, pour circu30 lariser la polarisation. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un récepteur ayant un démultiplexeur d'entrée symétrique du multiplexeur.