Dégradation du signal lors de sa propagation, Optique SF

Dégradation du signal lors de sa propagation, Optique SF
Titre 3: Contraintes limitatives et solutions
Cette partie a pour objectif de décrire les principales contraintes limitant les performances des systèmes optiques sans fil ainsi que les solutions développées par les constructeurs OSF (technologie Optique Sans Fil) pour surpasser ces obstacles à l’augmentation des performances de leurs produits.
Sur les sites des sociétés OSF, nous pouvons trouver de multiples documents, appelés «white papers», décrivant les principes physiques régissant les communications OSF ainsi que les caractéristiques techniques des produits améliorant les performances.
Il nous a semblé utile de synthétiser ici le contenu des ces documents afin de mieux comprendre les facteurs limitant les performances OSF (technologie Optique Sans Fil) et les circonstances dans lesquelles ces performances seront réduites ou accrues. La liste des «white papers» consultés est disponible à la fin de cette partie.
Nous passerons en revue quatre domaines:

• * La dégradation du signal lors de sa propagation
• * L’alignement des dispositifs et la survenance d’obstacles obstruant la ligne de vue
• * La sécurité oculaire
• * Les interférences solaires

3.1 Dégradation du signal lors de sa propagation

Lors de sa propagation dans l’atmosphère, le signal optique subit deux formes de dégradation:
– L’atténuation: Perte de puissance du signal à son arrivée au récepteur par rapport à la puissance du signal envoyé par l’émetteur, du fait de la traversée de l’atmosphère par ce signal.
– La scintillation: variation involontaire de l’intensité du signal, induite dans le temps et dans l’espace au niveau du récepteur, du fait de la traversée de l’atmosphère par ce signal.

a) L’atténuation

La perte de puissance du signal à son arrivée au détecteur résulte de plusieurs phénomènes d’atténuation:

• – L’atténuation géométrique
• – La dispersion par les hydrométéores
• – L’absorption par les molécules en suspension dans l’air
• – L’atténuation causée par la traversée de vitres

1) L’atténuation géométrique

L’atténuation géométrique résulte du fait que, par la divergence du faisceau optique, l’ensemble de l’énergie émise par l’émetteur n’est pas recueillie au niveau du récepteur. Le faisceau a en effet la forme d’un cône dont l’extrémité la plus large se trouve du côté du récepteur. Le phénomène d’atténuation géométrique dépend essentiellement de quatre facteurs représentés sur la figure n°2
Figure n°2: L’atténuation géométrique

Graphique personnel

• – L’ouverture du système optique émetteur (d1)
• – L’ouverture du système optique récepteur (d2)
• – La distance entre l’émetteur et le récepteur (R)
• – La divergence du faisceau (D)

2) La dispersion par les hydrométéores

Les hydrométéores sont des amas de molécules d’eau à l’état liquide ou solide présents dans l’atmosphère. Il s’agit par exemple du brouillard ou de la pluie. Lorsque le faisceau les traverse, il est en partie réfléchi et diffracté. Une partie de son énergie est alors dispersée dans toutes les directions et n’atteint pas le récepteur. Parmi les hydrométéores, celui qui atténue le plus un signal optique est le brouillard.
Bien que cette cause d’atténuation ne soit pas constamment présente, c’est elle qui provoque les atténuations les plus intenses. C’est pourquoi les systèmes OSF (technologie Optique Sans Fil) doivent être conçus et implémentés en tenant compte du brouillard.
De plus, le manque de statistiques précises concernant le brouillard rend difficile la prédiction de ce facteur. En Belgique, par exemple, les relevés de brouillard les plus précis disponibles auprès de l’Institut Royal Météorologique concernent le voisinage de l’aéroport de Zaventem et n’ont qu’une précision temporelle d’une heure et une précision spatiale de 100 mètres.
Or, la densité du brouillard change d’une minute à l’autre et peut fortement varier dans l’espace. Il ne sera donc jamais possible de prédire avec précision le phénomène d’atténuation par le brouillard. Outre le brouillard, les autres hydrométéores provoquant le plus d’atténuation sont les nuages bas et la pluie fine.

3) L’absorption par les molécules en suspension dans l’air

Il se peut également que l’énergie des photons qui constituent le faisceau optique soit absorbée par des molécules gazeuses en suspension dans l’air. Il s’agit essentiellement des molécules d’eau, d’oxygène et de dioxyde de carbone. Chaque molécule atténue plus certaines longueurs d’ondes que d’autres.
Sur la Figure n°3, nous pouvons observer la fraction du signal émis arrivant au récepteur (appelée transmission) après un trajet de un kilomètre dans un brouillard réduisant la visibilité à 200m en fonction de la longueur d’onde et du type d’atténuation.
Dans le premier graphique en partant du haut est représentée la transmission résultant de l’absorption par la vapeur d’eau, dans le second, celle résultant de l’absorption par les molécules d’oxygène et de dioxyde de carbone, dans le troisième, celle résultant de la dispersion par les hydrométéores et dans la dernière, la transmission totale du signal.
Nous pouvons observer que l’atténuation par la vapeur d’eau est plus importante que celle provoquée par les autres gaz et que la dispersion par les hydrométéores est présente, quelque soit la longueur d’onde.
Figure n°3: Fraction transmise du signal en fonction de la longueur d’onde
Wavelength (µm) Source: AirFiber

4) L’atténuation causée par la traversée de vitres
Les dispositifs OSF (technologie Optique Sans Fil) ont pour avantage de pouvoir être installés derrière une fenêtre. Cependant, une partie du signal est réfléchie à chaque fois que le faisceau traverse une surface entre l’air et le verre. Pour du verre normal, cette atténuation du signal par surface est de l’ordre de 4%.
Lorsqu’un double vitrage est traversé, le faisceau traverse 4 surfaces et l’atténuation cumulée est donc d’environ 15%. Cette atténuation peut être beaucoup plus importante lorsque du verre teinté est traversé.

SOLUTIONS

Deux solutions peuvent être envisagées pour combattre l’atténuation:

1. – La réduction de la divergence du faisceau et l’utilisation de récepteurs avec une ouverture plus grande permettent de réduire le phénomène d’atténuation géométrique.
2. – La sélection d’une longueur d’onde idéale qui minimiserait la dispersion par les hydrométéores et l’absorption moléculaire.

Voyons si cette dernière solution est envisageable. Pour cela, observons la figure n°4 représentant l’atténuation par un brouillard à 120 dB/km sur une plage de longueurs d’ondes allant de moins d’un micromètre à plus d’un millimètre.
Figure n°4: Atténuation par un brouillard à 120 dB/km
Wavelength (µ)

Source: AirFiber
Nous pouvons observer que l’atténuation n’est jamais particulièrement plus faible à une longueur d’onde plutôt qu’une autre dans les longueurs d’ondes optiques (inférieures au millimètre). Seul un minimum local existe autour de 12 µm.
En réalité, la sélection de la longueur d’onde s’effectue en raison d’autres critères que l’atténuation17. Voyons les différentes longueurs d’onde optiques fréquemment utilisées et les avantages et inconvénients qu’elles présentent:
– 780 – 850 nm: Cette bande de longueurs d’ondes permet l’utilisation de composantes (lasers et récepteurs) bon marché et performantes à base de silicium. Un autre atout de ces longueurs d’ondes est que l’atténuation y est faiblement inférieure à celle rencontrée pour les longueurs d’ondes plus élevées. Un inconvénient est que le faisceau transportant des informations confidentielles pourrait être détecté par du matériel de vision infrarouge mais il sera dans tous les cas impossible à démoduler de cette manière.
– 1520 – 1600 nm: Les composantes disponibles y sont un peu plus chères.
Comme l’effet de scintillation est inversement proportionnel à la longueur d’onde, il est deux fois moins important en 1550 nm qu’en 850 nm. Le plus gros avantage est que, pour des raisons de sécurité oculaire, il est permis d’émettre des puissances 55 x fois plus élevées qu’en 780 nm. Ce point sera abordé plus tard.
– 10 µm: L’utilisation de cette longueur d’onde est récente et la technologie est peu répandue. Son efficacité est d’autre part contestée. Certains prétendent que cette longueur d’onde présente des caractéristiques d’atténuation plus favorables18. Cependant, l’avantage concernerait surtout les brouillards peu denses, circonstances dans lesquelles les dispositifs à d’autres longueurs d’ondes se débrouillent très bien.

b) La scintillation

Figure n°5: L’effet de scintillation

Le phénomène de scintillation résulte de la traversée de poches d’air de températures différentes. Celles- ci possèdent des indices de réfraction différents et agissent comme des lentilles qui dévient la trajectoire du faisceau.
Comme ces poches bougent au cours du temps, les variations spatiales induites dans le faisceau varient également dans le temps à une vitesse dépendant de l’intensité du vent.
La scintillation dépend donc de deux facteurs: premièrement, la présence en-dessous de la trajectoire du faisceau d’objets chauffés par le soleil faisant à leur tour augmenter la température de l’air à leur proximité et deuxièmement, l’intensité du vent.
La durée de ces fluctuations est de l’ordre de la milliseconde. Selon les tests effectués à San Diego par Airfiber, cet effet varie d’un ordre de grandeur à l’autre pendant un journée avec un maximum au milieu de une journée lorsque la température est la plus élevée.
L’effet augmente fortement avec la distance entre l’émetteur et le récepteur. Notons que l’effet de scintillation ne s’ajoute presque jamais à celui d’atténuation par hydrométéores comme les conditions climatiques engendrant ces phénomènes se combinent très rarement.

SOLUTIONS

Peu de solutions permettent de réduire la scintillation, mais, son effet sur les performances étant beaucoup plus réduit que l’atténuation, il s’agit d’un problème de second ordre.
L’utilisation de récepteurs présentant une grande ouverture combat toutefois la scintillation étant donné qu’elle permet la récolte du signal sur une surface plus grande par rapport à l’amplitude des variations spatiales induites par la scintillation. Cet effet peut être expliqué par la figure n°6.
Figure n°6: illustration de l’effet de la taille de l’ouverture sur la scintillation

La scintillation provoque l’apparition sur l’ouverture réceptrice de taches plus claires ou plus sombres qu’elles ne l’auraient été sans scintillation. Si l’ouverture du récepteur est du même ordre de grandeur que la taille des taches, la probabilité qu’une tache recouvre l’entièreté de l’ouverture et que des données soient donc transmises de façon erronée est relativement élevée.
Par contre, si l’ouverture du récepteur est beaucoup plus grande que la taille de taches, elle couvrira en moyenne autant de taches claires que de taches sombres et l’intensité moyenne du signal convergé sur le détecteur sera proche de celle que le signal aurait eue sans scintillation.
D’autre part, afin de combattre l’effet de scintillation, la société AOptix propose des produits utilisant la technologie d’optique adaptative empruntée aux télescopes d’observation spatiale19. Elle consiste à corriger le signal de façon active à l’aide de miroirs déformables. Cependant, ces modèles ne semblent pas très répandus, le coût d’un tel système étant trop important par rapport aux avantages qu’il apporte.
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17 Fsona (février 2001), «Wavelength selection for optical wireless communications systems», white paper
18 Achour M. (2002), «Free Space Optics Wavelength Selection: 10µ Versus Shorter Wavelengths»