Brevet FR3061563A1 — publié le 20180706

Composant optique à sélectivité spectrale pour améliorer une communication optique La présente invention se rapporte aux dispositifs de communication par lumière visible et invisible (IR et UV) de type communication optique laser et/ou de type VLC (acronyme pour Visible Light Communication) ou LiFi (acronyme pour Light-Fidelity). ETAT DE LA TECHNIQUE Les dispositifs de communication optique utilisent les ondes lumineuses pour transmettre une information entre deux points distants. Les dispositifs de communication optique en espace libre utilisent en général 15 des lasers ou diodes laser comme moyen d'émission, et des photodiodes comme moyen de réception. Le faisceau lumineux émis par le laser ou diode laser est un faisceau cohérent. Il peut donc être modulé en amplitude et en phase. Les dispositifs de communication par la lumière visible (VLC ou LiFi) comprennent en général une LED (ou un module de LEDs) formant un moyen 20 d'émission, et un photo détecteur formant un moyen de réception. La LED fournit un signal lumineux incohérent (Visible/IR/UV) dont l'intensité est modulée en fonction de l'information à transmettre. En particulier pour le domaine visible, les luminaires à LEDs présentent l'avantage de permettre la double fonction d'éclairage et de transmission de données. Leurs caractéristiques physiques 25 permettent d'envisager des débits de l'ordre du Gbits/s pour des systèmes dédiés. Cette LED peut être constituée d'une unique puce bleue recouverte d'un luminophore pour permettre un éclairage blanc, ou être constituée de plusieurs puces (RGYB par exemple). Le premier type, une puce bleue associée à un luminophore, est 30 prépondérant dans les ampoules à LEDs, mais c'est aussi souvent le facteur limitant la bande passante du fait du temps de réponse des luminophores. Une puce bleue 3061563 peut atteindre une bande passante de 20-100MHz, alors que cette même puce bleue associée à un luminophore verra ses performances se réduire à 2-3 MHz. Pour pallier cette problématique, il est possible de filtrer le signal dans le bleu avant le photo détecteur afin de ne conserver que la réponse de la puce. 5 Cependant les filtres classiques réduisent drastiquement le niveau de signal rendant parfois la communication impossible. En effet, classiquement, l'utilisation d'un filtre bleu non associé à une lentille convergente, ne permet d'utiliser que 10% du signal disponible avant le filtre. Dans le cas d'une LED multi puces, chaque LED peut-être adressée indépendamment de sa 10 voisine, ce qui signifie que l'amplitude lumineuse issue de chaque puce peut être modulée indépendamment. On s'affranchit alors de la problématique du filtre énoncée précédemment si on n'utilise qu'un seul canal de communication. Par exemple dans une ampoule à LEDs composée de 4 puces au spectre distinct, seule l'intensité d'une puce est modulée et les autres ne sont que les complémentaires pour générer la couleur blanche. Mais on perd de fait le potentiel de ce type d'ampoule à LEDs qui pourrait émettre au sein des 4 canaux de communication via les 4 puces au spectre distinct. Ainsi chaque puce génère un canal de communication particulier qui pourra être traité de manière indépendante. Un tel système de communication est avantageux en ce qu'il peut intégrer comme moyen de réception la plupart des surfaces photo détectrices associées à un système de traitement de l'information permettant d'analyser la variation de l'amplitude du signal lumineux reçu et d'en déduire le signal transmis. En particulier, la plupart des surfaces photovoltaïques restituent les variations du signal optique en variation de signal électrique. Dans un environnement de communication optique multi-utilisateurs, plusieurs canaux optiques sont nécessaires pour que chaque utilisateur puisse bénéficier d'une communication de type internet. Pour cela, une solution consiste à allouer une largeur spectrale de communication à chaque utilisateur tout en conservant un récepteur universel (les moyens mis en oeuvre d'un point de vue protocolaire ne font pas l'objet de cette demande de brevet et ne seront donc pas détaillés). 306 1 5 6 3 3 Cependant, le système de réception devra être capable de filtrer le signal dans la bonne gamme de fréquence permettant ainsi la communication optique. L'utilisation de plusieurs canaux optiques de largeur spectrale définie permet aussi d'augmenter le débit d'une communication en utilisant par exemple des 5 technologies de type MIMO (Multiple-Input Multiple-Output). Ce type de système nécessite du côté récepteur des moyens de sélection spectrale tels que les filtres colorés. Cependant, les filtres classiquement utilisés permettent une sélection spectrale en longueur d'onde mais ne concentrent pas la lumière reçue filtrée sur le photo détecteur, réduisant de manière drastique le niveau de signal reçu. 10 Des lentilles spécifiques peuvent à la fois réaliser cette fonction de filtre et de concentrateur. Les lentilles diffractives appelées aussi lentilles de Fresnel réalisent cette double fonction mais sont extrêmement sensibles à la dé-focalisation, c'est-à-dire à la variation de la distance entre l'émetteur et la source. Lorsque la dé-focalisation est trop importante, dans le cas de l'utilisation de lentilles dites de 15 Fresnel, la communication peut être perdue. Afin de pallier ce problème, une solution consiste à utiliser des lentilles à profondeur de champ. Ces éléments optiques sont connus sous le nom d'axicon. Cependant, les axicons sont des optiques essentiellement achromatiques, ils ne permettent pas d'obtenir à la fois une grande profondeur de champ et une sélectivité 20 spectrale. Pour pallier cette problématique, une nouvelle classe d'optiques diffractives chromatiques à profondeur de champ a été proposée récemment. Ces optiques diffractives sont connues sous les termes de ALDA (acronyme pour Axicon Linéaire Diffractif diaphragmé Annulairement) et MALDA (acronyme pour Multiple Axicon 25 Linéaire Diffractif diaphragmé Annulairement). Elles ont fait l'objet d'études approfondies dont les résultats ont fait l'objet de publications scientifiques : [1] E. Bialic, 3.-L. de Bougrenet de la Tocnaye, "Multiple annular linear diffractive axicons", JOSA A, Vol. 28, Issue 4, pp. 523- 533 (2011), [2] E. Bialic, 3.-L. de Bougrenet de la Tocnaye, "Multispectral imaging axicons", Applied Optics, Vol. 50, Issue 20, pp. 30 3638-3645 (2011), [3] E. Bialic, 3.-L. de Bougrenet de la Tocnaye, "Selective color 3061563 4 imaging using weighted interleaved multiple annula linear diffractive axicons", Applied Optics, Vol. 51, Issue 20, pp. 4775-4782 (2012)). Les moyens proposés dans la littérature ne permettent cependant pas d'optimiser la sélectivité spectrale en fonction de la profondeur de champ. Ils ne 5 décrivent pas comment réaliser une optique de type ALDA ou MALDA permettant de sélectionner différentes bandes spectrales sans aucun recouvrement, l'objectif étant par exemple d'obtenir une optique qui réalise plusieurs fonctions de filtrage, rouge, vert, bleu par exemple, tout en maintenant une profondeur de champ pour chacune des couleurs. C'est pourquoi la présente invention propose une optimisation de la 10 conception des MALDAs afin de résoudre cette problématique. BUT DE L'INVENTION L'invention a pour but principal de proposer un dispositif optique associé à un 15 photo détecteur apte à sélectionner une largeur spectrale, concentrer le signal et assurer une profondeur de champ afin d'augmenter la bande passante d'un canal optique de communication, ce qui permet d'augmenter le débit de la communication sans impact sur les autres canaux de communication pouvant être utilisés simultanément. 20 OBJET DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif optique fixe, déformable ou modulable permettant de réaliser la fonction de sélectivité spectrale et de concentreur de 25 lumière dans la largeur spectrale sélectionnée tout en conservant une grande profondeur de champ. Ce dispositif optique permet de sélectionner un canal optique pour une communication optique filaire ou sans fil. Plus précisément, l'invention a pour objet un composant optique de sélectivité spectrale à profondeur de champ pour communication optique, 30 comprenant au moins un réseau annulaire diffractif (ALDA), défini par les paramètres suivants : 3061563 5 - un rayon minimal (Rmin) - un rayon maximal (Rmax) ; - une période du réseau (d) ; - lesdits paramètres étant déterminés de manière à obtenir une séparation 5 spectrale de deux longueurs d'onde adjacentes À+dÀ et À provenant d'une source de lumière modulée externe audit composant, c'est-à-dire tels que la distance de focalisation maximale (Zmax(À+dÀ)) de la longueur d'onde À+dÀ soit inférieure à la distance de focalisation minimale (Zmin(À)) de la longueur d'onde À, 10 - ledit composant étant caractérisé en ce que lesdites distances de focalisations maximale et minimale sont calculées selon les formules suivantes : Zmax(À+dÀ) = (Rmax -d)/((À+dÀ).m) et Znnin(À) = (Rmin .d)/(À.h1), où m représente l'ordre de diffraction. 15 Selon un mode de réalisation, le composant optique selon comprend une pluralité de réseaux annulaires diffractifs (ALDAs) agencés pour former un MALDA R(n) = 1 AÂ R(n) respectant la formule de récurrence des MALDAs 2m . , où Rmin(n) correspond au rayon minimal de l'ALDA (n), Rmax(n) correspond au rayon maximal de l'ALDA (n), 20 Àmax correspond à la longueur d'onde maximale présente dans la source de lumière modulée, - AÀ correspond à la largeur spectrale de ladite source, et : - la largeur spectrale AÀ est égale dÀ-E, où E représente la précision de séparation ; 25 - Àmax est égale à la valeur maximale de la longueur d'onde que l'on souhaite séparer des autres, qui peut être différente de la longueur maximale présente dans ladite source. Avantageusement, le ou les réseaux diffractifs annulaires sont générés par 30 un modulateur spatial de lumière. 3061563 6 L'invention a également pour objet un système de réception pour communication optique comprenant un photorécepteur associé à un composant optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend 5 en outre un système mécanique permettant de modifier la distance entre le photorécepteur et ledit composant optique, de manière à modifier les longueurs d'onde issues de la source de lumière modulée focalisant sur le photorécepteur. Avantageusement, le système comprend en outre un moyen d'ajustement permettant de générer une homothétie de rapport k dudit composant optique pour 10 procéder à l'augmentation ou à la diminution des paramètres (Rmin ,Rmax et d) de I'ALDA. Selon un mode de réalisation, le système est tel que le photorécepteur comprend une pluralité d'éléments photo actifs agencés annulairement de façon que chacune des différentes largeurs spectrales provenant de la source de lumière 15 modulée soit concentrée sur l'un desdits éléments photo actifs. De préférence, les éléments photo-actifs sont des éléments photovoltaïques. Avantageusement, le système MALDA optimisé dynamique permet l'utilisation d'un unique récepteur, comparé aux systèmes connus qui utilisent autant de 20 récepteurs qu'il y a de canaux optiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détails à l'aide de la description des 25 figures 1 à 5 indexées. La figure 1A est un schéma de principe qui représente une portion de réseau circulaire annulaire binaire en vue de dessus. Il décrit l'agencement d'un ALDA. La figure 1B est schéma de principe qui représente la propagation des rayons lumineux au travers d'une optique de type ALDA. 30 La figure 2 est un schéma de principe qui représente l'agencement d'un MALDA en vue de dessus. 3061563 7 Les figures 3A, 3R et 3r sont des schémas de principe qui représentent la propagation des rayons lumineux au travers d'une optique de type ALDA ou MALDA lorsqu'un récepteur est placé le long de l'axe optique. La figure 4 est un schéma de principe qui représente une figure de diffraction 5 au travers d'une optique de type ALDA ou MALDA qui se produit à une distance déterminée le long de l'axe optique. La figure 5 est un schéma de principe qui représente un photo détecteur multicanal photovoltaïque adapté à la figure de diffraction présentée à la figure 4. L'optique optimisée selon l'invention est composée d'au moins un ALDA (1) 10 d'amplitude ou de phase (binaire ou multi-niveau) définie par son ouverture (Rmax), son rayon minimal (Rmin) et sa période (d), que l'on appellera par la suite paramètres de conception de l'ALDA. Un exemple d'ALDA d'amplitude est présenté à la figure 1. Cet exemple représente une vue de dessus de l'ALDA binaire qui peut être composé d'une plaque de verre recouverte de chrome, dont le chrome a été partiellement 15 supprimé selon les règles de conception des ALDAs. Les zones sombres correspondent aux zones chromées. Les zones claires représentent les zones de transparence. Le principe du fonctionnement d'un ALDA de phase binaire vu en coupe est rappelé à la figure 16. Une portion de réseau circulaire de phase binaire 12 diffracte 20 la lumière incidente 11 issue d'une source de lumière modulée externe (non représentée ici) selon une déviation géométrique contrôlée, dépendant de la longueur d'onde incidente (par exemple 21 pour la longueur d'onde rouge à 640 nm, 22 pour la longueur d'onde verte à 520 nm, 23 pour la longueur d'onde bleue à 460 nm) et des paramètres de conception de l'ALDA. Ces différentes longueurs d'onde 25 focalisent le long de l'axe optique 13, pour le rayon maximal de l'ALDA respectivement en 31, 32 et 33. La relation géométrique permettant de calculer les distances de focalisation maximale Zmax et minimale Zmin pour une longueur d'onde À est donnée par la formule : 30 306 1 5 6 3 Rmaxd où m est l'ordre de diffraction considéré (explicité par exemple dans la thèse de doctorat intitulé «Etude d'un nouvel élément optique axiconique : le multiple axicon linéaire diffractif annulaire » publiée le 10 janvier 2011 par Emilie Bialic). La longueur 5 de focalisation pour une longueur d'onde À est donnée par la différence AZ = Zmax - Zmin - Le MALDA (acronyme pour Multiple Axicon Linéaire Diffractif Annulaire) est une optique diffractive axiconique à profondeur de champ mais dont la chromaticité est contrôlée. Le MALDA est une combinaison d'axicons diaphragmés annulairement 10 jointifs dont chacun des foyers chromatiques coïncide parfaitement. Un exemple de schéma en vue de dessus représentant un MALDA binaire connu est présenté à la figure 2. Ce MALDA est composé de 3 ALDAs, l'ALDA extérieur est noté 41, l'ALDA du milieu est noté 42, et l'ALDA intérieur est noté 43. Le MALDA est donc une combinaison d'ALDA jointifs dont chacun des foyers chromatiques coïncide 15 parfaitement avec son voisin afin d'en augmenter son efficacité énergétique. Afin de générer les ALDAs tels que leurs foyers respectifs coïncident parfaitement, il est nécessaire de respecter la formule de récurrence (décrite par exemple dans le brevet FR2979439B1) suivante : R(n - min) - AÀ, R(") MaX 20 où Rmin(n) correspond au rayon minimal de l'ALDA (n) ; Rmax(11) correspond au rayon maximal de ALDA (n), Àmax correspond à la longueur d'onde maximale présente dans la source et AÀ correspond à la largeur spectrale de la source. AÀ correspond donc à la différence entre la longueur d'onde la plus grande présente dans la source et la longueur d'onde la plus courte présente dans la source. Par exemple pour une source 25 blanche de type LED, 0M=640-460 nm = 180 nm. Cependant, la description du MALDA dans l'état de l'art ne permet pas d'assurer une précision suffisante pour la séparation de longueurs d'onde dans le 306 1 5 6 3 visible à cause du recouvrement possible des longueurs d'onde. Pour la description du MALDA optimisé, objet de l'invention, il est donc nécessaire d'ajouter une contrainte supplémentaire de précision de séparation. Afin de séparer deux longueurs d'onde adjacentes À+dÀ et À, il faut que Zmax(À+dÀ) REVENDICATIONS1 - Composant optique de sélectivité spectrale à profondeur de champ pour 5 communication optique, comprenant au moins un réseau annulaire diffractif (ALDA), défini par les paramètres suivants : - un rayon minimal (Rmin) ; - un rayon maximal (Rmax) ; - une période du réseau (d) ; 10 - lesdits paramètres étant déterminés de manière à obtenir une séparation spectrale de deux longueurs d'onde adjacentes À+dÀ et À provenant d'une source de lumière modulée externe audit composant, c'est-à-dire tels que la distance de focalisation maximale (Zmax(À+dÀ)) de la longueur d'onde À+dÀ soit inférieure à la distance de focalisation minimale (Zmin(À)) 15 de la longueur d'onde À, - ledit composant étant caractérisé en ce que lesdites distances de focalisations maximale et minimale sont calculées selon les formules suivantes : Zmax(À+dÀ) = (Rmax .d)/((À+dÀ).m) et Zmin(À) = (Rmin .d)/(À.rn), où m représente l'ordre de diffraction. 20 2 - Composant optique selon la revendication 1, comprenant une pluralité de réseaux annulaires diffractifs (ALDAs) agencés pour former un MALDA respectant la formule de récurrence des MALDAs R(") max Ù - Rmin(n) correspond au rayon minimal de l'ALDA (n), la source 25 - Rmax(n) correspond au rayon maximal de l'ALDA (n), - Àmax correspond à la longueur d'onde maximale présente dans de lumière modulée, - 0À correspond à la largeur spectrale de ladite source, caractérisé en ce que : 3061563 16 - la largeur spectrale 0À est choisie égale dÀ-E, où £ représente la précision de séparation, et - Àmax est égale à la valeur maximale de la longueur d'onde que l'on souhaite séparer des autres, qui peut être différente de la longueur maximale présente dans ladite source. 3 - Composant optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les réseaux diffractifs annulaires sont générés par un modulateur spatial de lumière. 4 - Système de réception pour communication optique comprenant un photorécepteur associé à un composant optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système mécanique permettant de modifier la distance entre le photorécepteur et ledit composant optique, de manière à modifier les longueurs d'onde issues de la source de lumière modulée focalisant sur le photorécepteur. 5 - Système de réception pour communication optique comprenant un composant optique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen d'ajustement permettant de générer une homothétie de rapport k dudit composant optique pour procéder à l'augmentation ou à la diminution des paramètres (R- ,Rmax et d) de l'ALDA. 6 - Système de réception selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte un photorécepteur comprenant une pluralité d'éléments photo actifs agencés annulairement de façon que chacune des différentes largeurs spectrales provenant de la source de lumière modulée soit concentrée sur l'un desdits éléments photo actifs. 7 - Système de réception selon la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments photo-actifs sont des éléments photovoltaïques.