Brevet FR2915039A1 — publié le 20081017

Dispositif optique de transmission de données comportant une source émettant un faisceau laser La présente invention concerne un dispositif optique de transmission de données comportant une source émettant un faisceau laser pour transmettre les données vers un capteur optique. Elle s'applique par 5 exemple dans le domaine de la vidéo à la demande à bord des aéronefs. L'apparition de nouveaux équipements à bord des avions, comme les systèmes IFE d'après l'acronyme anglo-saxon signifiant In-Flight 10 Entertainment permettant par exemple de diffuser de la vidéo à la demande aux passagers, a entraîné une augmentation constante du câblage dans les cabines des avions. Cela pose non seulement des problèmes de poids, mais également des problèmes de coût d'installation et de maintenance, ainsi que des problèmes de configurabilité de la cabine. 15 Des solutions utilisant des technologies de communication sans fil via des ondes radio, comme les liaisons conformes à la norme IEEE802.11 plus connues sous la désignation commerciale de liaison WiFi , sont actuellement en cours d'étude et de test. D'autres solutions utilisant des 20 technologies de communication sans fil via des ondes lumineuses, comme le protocole irDA d'après l'acronyme anglo-saxon signifiant infrared Data Association , sont également en cours d'étude et de test. Malheureusement, pour diverses raisons, ces solutions actuelles n'ont amené qu'à une réduction moyennement significative de la quantité de câblage. En effet, une 25 ligne dorsale câblée, plus connue sous la désignation anglo-saxonne de ligne backbone , traverse toujours longitudinalement la cabine pour amener les signaux du serveur jusqu'à proximité immédiate des sièges. Seule la dernière portion se fait par une liaison sans fil du type WiFi ou irDA. Souvent, la ligne dorsale se trouve dans le plafond de la cabine. Il faut noter 30 toutefois que ces solutions à base de technologie WiFi ou irDA résolvent en partie le problème de configurabilité de la cabine pour lequel elles ont été conçues. En effet, les premiers systèmes IFE qui utilisaient une liaison filaire jusqu'aux sièges rendaient l'agencement des sièges peu modulable. Ce n'est plus le cas avec ces solutions combinant une ligne dorsale filaire avec une liaison WiFi ou combinant une ligne dorsale filaire avec une liaison irDA, puisque le siège n'est plus connecté par un fil au système IFE. Mais ces solutions ne font qu'atténuer le problème de poids et de surcoût lié à l'utilisation de câbles : il faut toujours passer une ligne dorsale câblée dans le plafond de la cabine. Et de plus elles ne résolvent pas les problèmes possibles d'interférence électromagnétique dans la bande WiFi La présente invention se propose notamment de remplacer la io ligne dorsale câblée par une ligne dorsale sans fil, ceci en exploitant la technologie de communication par faisceau laser infrarouge à l'air libre. En effet, un rayon laser infrarouge peut permettre de véhiculer de l'information à haut débit sans compression des données, que ce soit sur un support optique comme la fibre de verre ou en laissant simplement le rayon lumineux 15 se propager librement dans l'air. Par exemple, cette technologie est une solution pratique et économique dans les réseaux grandes distances pour établir une liaison point à point couvrant le "dernier kilomètre". Mais elle est aussi utilisée dans des réseaux locaux urbains depuis le toit des immeubles. Cette technologie présente l'avantage déterminant que, contrairement aux 20 communications par voie hertzienne, l'utilisation d'un laser optique n'est soumise à l'obtention d'aucune licence. Elle présente également une grande souplesse d'usage en terme d'installation et de désinstallation : elle ne nécessite aucune infrastructure lourde exigeant des travaux de génie civil. Mais la mise en oeuvre d'une telle technologie à bord d'un avion de ligne 25 n''est pas sans poser de nombreuses difficultés. Entre autres, cela pose un problème de visée. En effet, il est impératif d'établir et de maintenir un alignement précis entre les éléments de la liaison afin que le rayon relie bien ces éléments entre eux. Or, les 30 contraintes mécaniques auxquelles est soumis un avion, notamment les déformations et les vibrations, rendent difficile la tenue d'une telle visée. La liaison est alors fréquemment interrompue, occasionnant des pertes d'information importantes que même les protocoles de communication performants échouent à corriger. Par ailleurs, l'utilisation d'un rayon laser dans un environnement fréquenté comme la cabine d'un avion n'est pas sans danger. Car même un laser de faible puissance peut représenter un réel danger pour l'oeil en provoquant des brûlures irréparables de la rétine. C'est d'ailleurs pourquoi les appareils diffusant un rayon laser sont classés en six classes standards que sont les lasers de classe I, de classe Il, de classe Ila;, de classe Illa, de classe Illb et de classe IV, chaque catégorie représentant notamment un niveau de dangerosité pour la vue. De plus, la problématique d'un système IFE, consistant pour un 1 o serveur à envoyer des données à plusieurs clients, ne semble pas vraiment correspondre à la problématique des systèmes point à point actuels utilisant la transmission par laser pour envoyer des données d'un serveur vers un seul client. 15 L'invention a notamment pour but de pallier les problèmes précités. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif optique de transmission de données comportant une source émettant un faisceau laser pour transmettre les données vers un capteur optique. II comporte des 20 moyens pour collimater le faisceau. Par exemple, il peut comporter une lentille divergente et un miroir parabolique ou une lentille divergente et un miroir holographique ou une lentille divergente et une lentille holographique pour collimater le faisceau. Avantageusement, la source peut émettre un faisceau laser 25 infrarouge et le capteur peut être une cellule photo-électrique. Au moins un miroir peut guider par réflexion le faisceau collimaté depuis la source jusqu'au capteur optique. Dans un mode de réalisation à bord d'un aéronef, la source peut être disposée à une extrémité de la cabine de l'aéronef et le capteur peut 30 être associé à un siège, les données transmises pouvant être des données multimédia audio ou vidéo. L'invention a encore pour principaux avantages qu'elle autorise 35 des débits de données de l'ordre de 100 gigabits par seconde, ce qui est bien supérieur aux autres types de liaison sans fil. A titre de comparaison, les liaisons WiFi ne fournissent des débits que de l'ordre de 40 à 56 mégabits par seconde. Même la technologie MIMO, d'après l'acronyme anglo-saxon signifiant Multiple-Input Multiple-Output , qui est une évolution pas encore standardisée de la liaison WiFi, ne fournit des débits que de l'ordre de 100 mégabits par seconde ! Par ailleurs, dans une application comme la vidéo à la demande à bord d'un avion, l'absence totale de câble permet de diminuer considérablement non seulement le prix de revient du système, mais également son coût d'installation et de maintenance. II offre aussi une plus grande souplesse en cas de désinstallation du système pour reconfiguration de la cabine. Il simplifie le développement du câblage avion aussi bien en première monte, qu'en cas d'installation sur un avion non pourvu initialement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : les figures 1 a et 1 b, des illustrations par des vues en coupe d'un exemple d'implémentation d'un système IFE selon l'invention ; -les figure 2a et 2b, des illustrations par une vue en coupe et par un synoptique d'exemples d'émetteurs-récepteurs selon l'invention ; la figure 3, une illustration par une vue en coupe d'un exemple d'implémentation d'émetteurs-récepteurs selon l'invention ; la figure 4, une illustration par un synoptique d'un exemple de mise en oeuvre d'une source laser selon l'invention ; la figure 5, une illustration par un synoptique de la triple fonction des émetteurs-récepteurs selon l'invention ; - la figure 6, une illustration par un synoptique d'un exemple de mise en oeuvre d'un émetteur-récepteur à triple fonction selon 30 l'invention ; la figure 7, une illustration par un synoptique d'un exemple d'implémentation d'un dispositif optique selon l'invention ; - la figure 8, une illustration par un synoptique d'un autre exemple d'implémentation d'un dispositif optique selon l'invention. 35 Les figures la et 1 b illustrent par des vues en coupe un exemple d'implémentation d'un système IFE selon l'invention dans une cabine 1 d'un avion. La figure la est une vue en coupe longitudinale de la cabine 1. La figure 1 b est une vue en coupe transversale de la cabine 1. Des sièges sont disposés dans la cabine 1 en une rangée centrale 2 et deux rangées latérales 3 et 4, formant deux couloirs 5 et 6. La cabine 1 comporte un plafond 7, utilisable notamment pour aménager dans ses parties basses des coffres de rangement 7' pour les bagages à main. Une source laser 8 est disposée à une extrémité de la cabine 1 au-dessus du couloir 5, de manière à émettre un faisceau laser 10 qui traverse le couloir 5 jusqu'à l'autre extrémité de la cabine 1, en suivant une trajectoire rectiligne en hauteur assurant qu'il est difficile pour une personne empruntant le couloir 5 de couper le faisceau 10 par inadvertance. Pour cela, le faisceau 10 est avantageusement logé audessus des coffres de rangement 7' très près du plafond 7. Ainsi, il est quasiment impossible de couper le faisceau 10, sauf acte volontaire. Tout le long du couloir 5, le faisceau 10 traverse successivement huit dispositifs optiques 11a, 11 b, 11c, 11d, 11 e, 11f, 11g et 11h permettant de recevoir une partie du faisceau 10, sans perturber l'autre partie qui continue sa trajectoire rectiligne le long du couloir 5. Ces dispositifs oit donc une double fonction optique de réception et d'émission. Un tel d[spositif cumulant ces fonctions est habituellement désigné sous la terminologie anglo-saxonne de transceiver . Par la suite, de tels dispositifs seront appelés émetteurs-récepteurs . Il faut remarquer qu'ils retransmettent le faisceau 10 dans la même direction que la direction de réception. Les émetteurs-récepteurs 11a, 11 b, 11c, 11d, 11 e, 11f, 11g et 11h oit également une fonction de passerelle pour l'information : ils permettent d'extraire l'information contenue dans la partie du faisceau qu'ils reçoivent. Un premier miroir 12 disposé à l'extrémité opposée à la source 8 dans le couloir 5 permet de réfléchir sensiblement à angle droit le faisceau 10 en direction du couloir 6 qu'il coupe perpendiculairement. Un second miroir 13 disposé en regard du miroir 12 dans le couloir 6 permet de réfléchir à nouveau sensiblement à angle droit le faisceau 10, de manière à le renvoyer à travers le couloir 6 jusqu'à l'autre extrémité de la cabine 1, toujours en suivant une trajectoire assurant qu'il est difficile pour une personne empruntant le couloir 6 de couper le faisceau 10 par inadvertance. Tout le long du couloir 6, le faisceau 10 traverse successivement huit émetteurs-récepteurs 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g et 14h permettant de recevoir une partie du faisceau 10, sans perturber l'autre partie qui continue sa trajectoire rectiligne le long du couloir 6. Les émetteurs-récepteurs 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g et 14h ont également une double fonction optique de réception et d'émission du faisceau, ainsi qu'une fonction de passerelle pour l'information. Un récepteur 15 disposé à l'extrémité de la cabine 1 dans le couloir 6 en regard de la source 8 intercepte la partie résiduelle du faisceau 10. Le récepteur 15 reçoit la partie du faisceau 10 qui n'a été interceptée par aucun des seize émetteurs-récepteurs. La figure 1 b illustre plus en détails la zone d'implémentation des émetteurs-récepteurs 11 e et 14d traversés par le faisceau 10, dont ils reçoivent une partie et dont ils retransmettent l'autre partie. Par exemple, 15 l'émetteur-récepteur 11e fournit une liaison locale 16 de type Ethernet qui descend vers les sièges situés de chaque côté du couloir 5, assurant ainsi la communication entre l'émetteur-récepteur 11 e et les quatre sièges situés de part et d'autre du couloir 5 en deux rangées de deux sièges. Un avantage principal des émetteurs-récepteurs selon l'invention 20 est qu'ils permettent de n'utiliser qu'une seule source laser puisqu'ils n'interrompent pas le faisceau 10 et le laissent continuer sa trajectoire vers l'émetteur-récepteur suivant. 25 Les figure 2a et 2b illustrent plus en détails les émetteurs-récepteurs 14d et 11 e. La figure 2a est une vue en coupe transversale de la zone d'implémentation des émetteurs-récepteurs 11e et 14d. La figure 2b est un synoptique simplifié de l'émetteur-récepteur 14d. Comme déjà indiqué précédemment, les émetteurs-récepteurs ont également une fonction de 30 passerelle pour l'information : ils permettent d'extraire l'information contenue dans la partie du faisceau qu'ils reçoivent. Notamment ils mettent cette information à disposition par l'intermédiaire de diverses interfaces, du type de la. liaison Ethernet 16 ou du type d'une liaison irDA 18 ou du type d'un faisceau laser 17. 35 La figure 3 illustre la zone d'implémentation des émetteurs-récepteurs 11 e et 14d par une vue en coupe transversale. Un émetteur-récepteur portable 19, qui masque l'émetteur-récepteur 14d sur la figure, peut par exemple permettre la connexion d'équipements portables comme un chariot 20 de vente ambulante en cabine ou d'assistance médicale, ceci par l'intermédiaire d'une liaison filaire 21. Mais la liaison 21 peut être remplacée par une liaison sans fil. L'émetteur-récepteur portable 19 est simplement fixé au plafond 7 par un dispositif de fixation amovible approprié, de manière à intercepter le faisceau 10. En fait, il est important de comprendre que les émetteurs-récepteurs, qu'ils soient installés de façon permanente ou temporaire sur le chemin du faisceau 10, jouent un rôle de passerelle qui peut être implémenté par divers protocoles de communication, ceci sans déroger aux principes énoncés par la présente invention. La figure 4 illustre par un synoptique un exemple de mise en oeuvre de la source laser 8. La source laser 8 comporte une diode laser 30 disposée derrière une lentille divergente 31. Un miroir parabolique 32 est disposé devant la lentille 31. La diode 30 émet un rayon laser à faisceau étroit non divergent ponctuel qui est d'abord divergé par la lentille 31 dans un plan horizontal de forme elliptique divergent, puis collimaté par le miroir 32 dans une seule direction pour former le faisceau 10. Ainsi, le rayon ponctuel émis par la diode 30 a été collimaté pour former le faisceau laser 10. Le faisceau 10 est dit collimaté parce-qu'il est constitué de rayons lumineux cohérents parallèles, ces rayons étant proprement inscrits dans une surface. La coupe verticale de ce faisceau a la forme d'une surface elliptique aplatie dans l'exemple de la figure. Dans d'autres modes de réalisation, le miroir 32 peut être remplacé par un miroir holographique ou par une lentille holographique. Si, malgré les précautions prises pour éviter que le faisceau 10 ne soit coupé par inadvertance, il arrivait qu'un obstacle 33 interrompe le faisceau 10, le miroir 32 est d'une largeur suffisante pour assurer que le faisceau 10 n'est coupé que partiellement dans la plupart des cas. Ainsi, le faisceau 10 n'est interrompu que sur une surface 34 limitée à l'ombre de l'objet 33, ce qui permet à un dispositif optique 35 suffisamment étendu de rester partiellement illuminé par le faisceau 10, ceci malgré la présence de l'obstacle 33 entre lui et la source 8. Un tel dispositif permet non seulement de minimiser les risques d'obstructions intempestives, mais il permet également de diminuer la densité spatiale de la puissance lumineuse en la répartissant sur une plus grande surface et ainsi de minimiser les risques de dommages aux yeux et de corriger le désalignement éventuel du faisceau. La figure 5 illustre par un synoptique la triple fonction des 1 o émetteurs-récepteurs 11a, 11 b, 11c, 11d, 11 e, 11f, 11g, 11h, 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g et 14h. Par exemple, l'émetteur-récepteur 11a reçoit d'abord le faisceau 10 : il joue le rôle de récepteur. Puis, il permet d'extraire l'information contenue dans le faisceau 10 et de l'envoyer vers la liaison locale 16 de type Ethernet : il joue le rôle de passerelle pour l'information 15 contenue par le faisceau 10. Enfin, l'émetteur-récepteur 11a retransmet le faisceau 10 dans la même direction que la direction de réception : il joue le rôle de ré-émetteur du faisceau 10. Il faut bien comprendre que tout type de liaison autre que Ethernet peut être utilisé sans déroger aux principes de la présente invention, par exemple une liaison irDA. 20 La figure 6 illustre par un synoptique un exemple de mise en oeuvre d'un émetteur-récepteur à triple fonction selon l'invention. II comporte notamment le dispositif optique 35 introduit précédemment, disposé sur la 25 trajectoire du faisceau 10. Par exemple, le dispositif optique 35 peut être un miroir semi-réfléchissant, il n'interrompt donc pas le faisceau 10 mais en réfléchit une partie vers un récepteur laser 40 par un mécanisme qui sera illustré plus en détails par la suite. Le récepteur 40 transforme le faisceau en un signal électrique. Le signal électrique est transmis à un module de 30 décodage 41 qui transforme le signal en flux de données. Les flux de données sont transmis à un module passerelle 42 qui met les données à la disposition d'un client non représenté sur la figure 6. Dans l'exemple de la figure 6, il s'agit d'un client Ethernet et la mise à disposition revient à conditionner les données pour retransmission via la liaison Ethernet 16 : le 35 module 42 encapsule les données en paquets pour envoi sur la liaison E:thernet 16 par l'intermédiaire d'un câble RJ45. Par ailleurs, des paquets de données peuvent également être reçus sur la liaison Ethernet 16 et traités par le module passerelle 42, qui transmet les données qu'ils contiennent à un module d'encodage 43. Le module 43 transforme les données en un signal électrique qu'il transmet à un modulateur laser 44. Un dispositif optique 45, disposé sur la trajectoire du faisceau 10 en aval du dispositif 35 et similaire à celui-ci, permet notamment de réfléchir une partie du faisceau 10 vers le modulateur laser 44. Le modulateur laser 44 y ajoute les données correspondant au signal qu'il a reçu du module 43. Il retransmet le faisceau résultant par l'intermédiaire d'un dispositif optique 46, ce faisceau et les données qui y ont été ajoutées seront reçues par les émetteurs-récepteurs en aval et par le récepteur laser 15 introduit précédemment. II faut noter que d'autres architectures peuvent être mises en oeuvre pour implémenter un émetteur-récepteur selon l'invention, tant que ces architectures fournissent les trois fonctions de récepteur, d'émetteur et de passerelle. La figure 7 illustre un exemple d'implémentation du dispositif optique 35 permettant de transmettre le faisceau 10 au récepteur laser 40. Par exemple, le dispositif 35 comporte un miroir semi-réfléchissant 50 et une lentille convergente 51. Une partie du faisceau 10 traverse le miroir 50 sans être déviée, le miroir 50 réfléchissant une autre partie du faisceau 10 vers la lentille 51. La lentille 51 focalise la partie du faisceau qu'elle reçoit sur un capteur laser 52 du récepteur 40. La lentille 51 permet notamment de s'affranchir des vibrations souvent importantes à bord d'un avion, les vibrations faisant varier l'angle d'incidence du faisceau 10 sur le miroir 50. En effet, quel que soit l'angle d'incidence du faisceau 10 sur le miroir 50, et donc quel que soit l'angle d'incidence du faisceau dévié sur la lentille 51, le capteur 52 est toujours illuminé efficacement grâce à la lentille 51 qui concentre le faisceau sur son foyer image, où se trouve le capteur 52. En l'absence de la lentille 51, le capteur 52 ne serait pas illuminé de manière continue, ce qui entraînerait d'importantes pertes de données. Le dispositif optique 45 peut être implémenté de façon analogue.35 La figure 8 illustre un autre exemple d'implémentation du dispositif optique 35 permettant de transmettre le faisceau 10 au récepteur laser 40. Par exemple, le dispositif 35 comporte un miroir semi-réfléchissant concave 60 qui peut être holographique. Une partie du faisceau 10 traverse le miroir 60 sans être déviée, le miroir 60 réfléchissant une autre partie du faisceau 10 vers le capteur laser 52 du récepteur 40. Le miroir concave semiréfléchissant 60 permet également de s'affranchir des vibrations qui font varier l'angle d'incidence du faisceau 10 sur le miroir 60. En effet, quel que soit l'angle d'incidence du faisceau 10 sur le miroir 60, le capteur 52 est toujours illuminé efficacement grâce au miroir concave serni-réfléchissant 60 qui concentre le faisceau sur le capteur 52. En fait, le miroir 60 combine les fonctions du miroir 50 et de la lentille 51 de la figure 7. Le dispositif optique 45 peut être implémenté de façon analogue. Dans le cadre d'une application IFE à bord d'un avion, la présente invention permet donc notamment de se passer d'une ligne dorsale câblée, coûteuse et manquant de souplesse. Particulièrement flexible et modulable, offrant une déployabilité sans pareil, la présente invention est une solution qui améliore encore la configurabilité de la cabine. Par ailleurs, même si elle utilise la technologie existante des transmissions de données par rayon laser à l'air libre, la présente invention en propose une utilisation atypique et inattendue à plus d'un titre. D'une part, elle propose une utilisation de cette technologie dans un environnement très fréquenté par des personnes, environnement notoirement peu adapté à l'utilisation d'un rayon laser à l'air libre. D'autre part, elle propose une utilisation de cette technologie dans un environnement vibratoire très peu propice à une visée laser stable. Egalement, elle propose une utilisation de cette technologie non plus pour une simple liaison point à point mais pour une liaison aussi bien mono-directionelle du type mono-émetteur / multi-récepteur, qu'une liaison duplex du type mono émetteur / multi-modulateurs / architecture bus, ceci en utilisant toujours un seul faisceau grâce notamment à son dispositif d'émetteur-récepteur à triple fonction. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique de transmission de données comportant une source (8) émettant un faisceau laser (10) pour transmettre les données vers un capteur optique (52), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (31, 32) pour collimater le faisceau. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une lentille divergente (31) et un miroir parabolique (32) pour collimater le faisceau (10). 10 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une lentille divergente (31) et un miroir holographique pour collimater le faisceau. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une 15 lentille divergente et une lentille holographique pour collimater le faisceau. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source (8) émet un faisceau laser infrarouge (10). 20 6, Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur (52) est une cellule photo-électrique. 7, Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un miroir (12, 13) guidant lpar réflexion le faisceau (10) collimaté 25 depuis la source (8) jusqu'au capteur optique (52). 8 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est implémenté à bord d'un aéronef. 30 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la source (8) est disposée à une extrémité de la cabine (1) de l'aéronef et le capteur (52) est associé à un siège (2, 3, 4).510. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les données transmises sont des données multimédia.