Optique Sans Fil : Sécurité oculaire et Interférence solaire

3.2 Alignement des dispositifs et obstacles

Afin de fonctionner correctement, les dispositifs OSF (technologie Optique Sans Fil) doivent être parfaitement alignés en tout moment. Cela signifie que le faisceau émis par le laser émetteur doit atteindre le détecteur du dispositif récepteur. D’autre part, il ne peut y avoir d’objets obstruant le faisceau. On dit qu’il doit y avoir « ligne de vue ». Si un oiseau passe à travers le faisceau, la communication sera interrompue.

Les problèmes d’alignement proviennent de mouvements du support du dispositif OSF, c’est-à-dire de l’immeuble sur lequel il repose. Ces mouvements peuvent être répertoriés en trois catégories en fonction de leurs fréquences. Le Tableau n°3 illustre ces catégories.

Tableau n°3: catégories de mouvements des supports OSF (technologie Optique Sans Fil)

Type de mouvement

Période d’un cycle de mouvement

Origine

Basse fréquence

De quelques minutes à plusieurs mois

Elongation et rétrécissement de l’immeuble en fonction de la température

Fréquence moyenne

Quelques secondes

Le vent fait bouger l’immeuble

Haute fréquence

Moins d’une seconde

Activité sismique, activité humaine

SOLUTIONS

Alignement

Afin d’assurer un alignement des dispositifs en tout temps, deux approches peuvent être empruntées:

– L’utilisation de faisceaux fortement divergents (de 2 à 10 milli radians): Dans cette situation, le faisceau est, au niveau du récepteur, beaucoup plus large que l’ouverture de celui-ci. L’émetteur et le récepteur ont donc une certaine marge de mouvement relatif. Il en résulte cependant une forte atténuation géométrique qui réduit la portée des dispositifs.

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19 Graves J., Drenker S. , « Advancing Free Space Optical communications with Adaptive Optics »

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– L’utilisation de systèmes d’autotracking: ces systèmes permettent de détecter les mouvements relatifs de l’émetteur et du récepteur et d’apporter des corrections à leurs orientations. Des divergences beaucoup plus faibles peuvent donc être utilisées (entre 0,2 et 1 milli radian), ce qui réduit l’atténuation géométrique et augmente donc la portée des dispositifs.

Le choix d’une approche plutôt qu’une autre correspond à celui entre la performance et les faibles coûts. Les systèmes d’autotracking, bien que plus performants, sont en effet beaucoup plus coûteux.

Obstacles

Il est impossible d’empêcher les oiseaux d’obstruer le faisceau. On peut par contre utiliser plusieurs faisceaux et garantir que ceux-ci ne soient jamais obstrués simultanément. Il faudra pour cela s’assurer que la distance entre les faisceaux soit supérieure à la taille des obstacles potentiels. Un autre avantage résultant de l’utilisation de faisceaux multiples est la redondance des systèmes émetteurs et/ou récepteurs en cas de panne. Les faisceaux multiples augmentent cependant fortement la complexité et donc les coûts des systèmes optiques.

3.3 Sécurité oculaire 20

Dès l’apparition des premiers produits OSF (technologie Optique Sans Fil) la sécurité fut une préoccupation importante. On ne peut en effet pas envoyer un faisceau de puissance trop élevée sous peine de causer des dommages à la peau mais surtout à la rétine (l’œil ayant l’aptitude de converger la lumière et donc de multiplier la puissance accumulée sur la rétine par cm²).

La figure n°7 représente l’absorption rétinienne et la réponse photopique de l’œil en fonction de la longueur d’onde. La réponse photopique de l’œil mesure sa capacité à détecter la lumière. Seules les longueurs d’onde entre 400 et 1400 nm sont convergées par l’œil sur la rétine. Les autres sont absorbées par la cornée. Toutefois, parmi les longueurs d’onde qui atteignent la rétine, uniquement celles entre 450 et 700 sont détectées par l’œil. Les longueurs d’onde entre 700 et 1400 sont donc les plus dangereuses car elles atteignent la rétine sans pour autant provoquer une réaction d’évitement de la part de la personne exposée au faisceau.

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20 LightPointe Communications (2002), « Free space optics: laser safety », white paper

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Figure n°7: Absorption rétinienne et Réponse photopique de l’œil

___ Réponse photopique

—– Absorption rétinienne



Source:

« FSO Laser Safety », Lightpointe, 2002

Il existe plusieurs standards concurrents en ce qui concerne la sécurité oculaire élaborés par les autorités compétentes de différents pays. Bien que certains détails les différencient, ils classifient presque tous les appareils optiques en quatre catégories de puissance croissante et édictent pour chaque catégorie des consignes et périmètres de sécurité à respecter. En vue de permettre une utilisation de leurs produits à grande échelle, la plupart des constructeurs OSF offrent des produits classés dans la catégorie 1 ou 1M. La classe 1 permet l’exposition directe de l’œil sans dommages persistants, même avec l’utilisation d’appareils grossissants comme une loupe. La classe 1M, par contre, prescrit l’emploi de matériel grossissant.

Les puissances maximales autorisées pour appartenir à une certaine catégorie dépendent de la longueur d’onde du signal émis, suivant les caractéristiques d’absorption et de réponse de l’œil. Ainsi, pour appartenir à la catégorie 1M, un appareil OSF (technologie Optique Sans Fil) fonctionnant à 1550 nm peut émettre une puissance lumineuse 55 fois plus importante qu’un appareil fonctionnant à 850 nm. Bien qu’à partir de 1400 nm, plus aucune énergie n’atteint la rétine, elle sera absorbée par la cornée, ce qui explique les limitations de puissance même au-delà de 1400 nm.

Il est important de préciser que ce n’est pas la puissance des lasers utilisés qui sert de base à la classification mais la densité énergétique du faisceau, en Watt/cm², à la sortie du dispositif OSF. Le signal émis par le laser est en effet élargi par le système optique émetteur à la sortie duquel il s’étend sur un diamètre de quelques dizaines de centimètres. La quantité d’énergie captable par l’œil sera donc moindre. De plus, le signal lumineux étant modulé, son amplitude varie du simple au double. C’est la puissance moyenne de ce signal à la sortie du système OSF (technologie Optique Sans Fil) qui déterminera sa classe et non la puissance maximale, car c’est cette puissance moyenne qui détermine les risques encourus par l’œil.

Pour augmenter la puissance émise tout en conservant la classification 1M, les constructeurs OSF peuvent donc recourir à plusieurs solutions:

– Utiliser des longueurs d’onde en dehors du spectre d’absorption de la rétine

– Augmenter le diamètre de l’ouverture émettrice

– Répartir la puissance émise sur plusieurs faisceaux

3.4 Interférences solaires

Les interférences causées par le soleil dans les communications optiques sans fil ont été étudiées par Vladimir Sidorovich21. Il répertorie quatre catégories de situations dans lesquelles les liens OSF (technologie Optique Sans Fil) peuvent être perturbés sous l’effet du soleil. Il évalue également les probabilités de ces situations ainsi que l’ampleur des perturbations associées. Bien que les effets du soleil peuvent entraîner une dégradation voire même une rupture du lien optique, ils ne provoquent jamais des dommages irréversibles au matériel.

Les situations à effets solaires défavorables sont les suivantes:

– Le photo détecteur est directement exposé à la lumière du soleil: Dans ce cas, la puissance en provenance du soleil excède jusqu’à plus de 600 fois celle du signal transportant l’information. Avec un tel bruit d’arrière fond, le lien est inévitablement interrompu. Cependant, un tel événement est de probabilité relativement faible et assez facile à prévoir avec précision. De plus, les périodes d’exposition directe au soleil ne dépasseront jamais trois minutes par jour et ne se produiront pas plus de 25 jours par an, si le ciel est dégagé.

– Le photo détecteur est exposé à la lumière du soleil réfléchie de façon spéculaire par des objets plats comme des vitres: Dans ce cas, la durée et la probabilité de l’interférence sont du même ordre de grandeur que celles résultant de l’exposition directe au soleil. La seule différence est que la puissance du signal interférent dépend de la distance, de la taille et de la réflexivité de la surface réfléchissante. Il n’y aura donc pas nécessairement une dégradation du lien optique.

– Le photo détecteur est exposé à la lumière du soleil dispersée par des hydrométéores (nuages ou brouillard): Les conditions les plus dangereuses se produiront lorsque l’angle Soleil-Emetteur-Récepteur est le plus faible. Il faut distinguer deux types de situations: celles où un nuage se trouve entre le soleil et le lien optique, ce dernier étant relativement dégagé et celles où du brouillard ou un nuage bas recouvre le lien optique. Dans le premier cas, le signal transportant les données sera relativement puissant par rapport au signal interférent et il n’y aura pas de dégradation du lien. Dans le second cas, le signal transportant les données sera affaibli par les particules aqueuses en suspension et ne pourra pas toujours être distingué du signal interférent par le récepteur.

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21 Sidorovich V. G. (2002), « Solar background effects in wireless optical communications »

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– Le photo détecteur est exposé à la lumière dispersée par des objets solides illuminés par le soleil: Même dans les cas les plus extrêmes, ce type d’interférence n’entraîne jamais de dégradation du lien optique.

Par ailleurs, outre celui du photo détecteur, le soleil peut également perturber le fonctionnement de l’émetteur. Cette situation se produit lorsque le soleil illumine directement la photodiode qui mesure la puissance du signal émis par le laser. L’appareil croit alors émettre un signal trop puissant et le réduit à un niveau quasi nul, ce qui provoque une rupture du lien optique.

Cependant, l’auteur conclut que le temps total d’indisponibilité annuel causé par les interférences solaires est inférieur d’au moins un ordre de grandeur par rapport à celui résultant de conditions météorologiques défavorables causant une atténuation trop importante du signal.

Les interférences solaires dans un lien OSF (technologie Optique Sans Fil) peuvent être évitées:

– Par une orientation réfléchie du lien: une modification de la position relative des terminaux optiques de quelques mètres permet de réduire fortement les effets du soleil.

– Par l’apposition de filtres sur l’ouverture réceptrice.

LISTE DES WHITE PAPERS CONSULTES POUR CETTE PARTIE:

c Bloom S. (décembre 2001), « The physics of free-space optics », Airfiber, white paper

c Bloom, Korevaar, Schuster, Willebrand (avril 2003), « Understanding the performance of free-space optics »

c LightPointe Communications (2002), « Understanding free space optics », white paper

c LightPointe Communications (2001), « Free space optics carrier class features »

c Schuster J. (2002), « Free space optics technology overview », Terabeam

c Bloom, S. (mai 2002), « The last mile solution: hybrid FSO Radio », Airfiber

c Alwan J. (2001), « Eye Safety and wireless optical networks », Airfiber

c Communication By Light (janvier 2003), « LaserLinks for GSM/UMTS », application note

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