Optique sans fil
Propagation et communication
Olivier Bouchet/Hervé Sizun/Christian Boisrobert/Frédérique de Fornel/Pierre-Noël Favennec
Hermes Science publications
Introduction
13
Chapitre 1. Histoire des télécommunications optiques
17
1.1. Quelques définitions17
1.1.1. Télécommunication17
1.1.2. Télécommunication optique18
1.1.3. Onde radioélectrique ou hertzienne18
1.2. La préhistoire des télécommunications18
1.3. Le télégraphe optique aérien19
1.4. Le code23
1.5. Le télégraphe optique25
1.6. L'héliographe ou télégraphe solaire : système
de télécommunication portatif27
1.7. Le photophone d'Alexandre Graham Bell28
Chapitre 2. Rappel d'électromagnétisme
31
2.1. Introduction31
2.2. Rappel sur les équations de Maxwell dans un milieu quelconque31
2.3. Propagation des ondes électromagnétiques
dans un milieu homogène isotrope et linéaire33
2.4. Energie transportée par l'onde35
2.5. Propagation dans des milieux complexes36
2.6. Ondes cohérentes et incohérentes37
2.7. Passage de l'électromagnétisme classique à l'optique des rayons39
2.8. Le spectre électromagnétique41
2.9. Unités et échelles42
2.10. Exemples de sources dans le domaine visible et proche visible44
2.11. Conclusion46
Chapitre 3. Emission et réception de faisceaux optiques
47
3.1. Préambule47
3.2. Introduction48
3.3. Radiométrie : rappel des notions fondamentales49
3.4. Fenêtres spectrales, matériaux et sécurité oculaire53
3.5. Les émetteurs55
3.5.1. Les diodes émettrices d'ondes incohérentes à spectres larges56
3.5.1.1. Structures56
3.5.1.2. Diagrammes de rayonnement, champs proches
et champs lointains56
3.5.1.3. Caractéristiques spectrales59
3.5.1.4. Caractéristiques électriques et optiques60
3.5.2. Les diodes laser : flux énergétiques élevés, ondes cohérentes61
3.5.2.1. Structures61
3.5.2.2. Caractéristique «Phiémis(Iinjecté)» : statique et dynamique62
3.5.2.3. Spectres et champs proches62
3.5.2.4. Instabilités spectrales et bruit d'intensité67
3.5.3. Utilisation des amplificateurs à fibres dopées
«d'ions terres rares»67
3.6. Les photodétecteurs68
3.6.1. Rappels : fenêtre spectrale et matériaux69
3.6.2. Principe de fonctionnement et structures69
3.6.2.1. Les phénomènes de surface : réflexion optique
et charges mobiles69
3.6.2.2. Absorption et conduction : les jonctions à semi-conducteur70
3.6.3. Rendement quantique, temps de transit, capacité de jonction
et courant d'obscurité72
3.6.4. Les photodiodes à avalanche76
Chapitre 4. Propagation en visibilité directe
81
4.1. Influence du milieu de propagation (un peu de théorie)81
4.1.1. L'absorption atmosphérique82
4.1.2. La diffusion atmosphérique83
4.1.3. L'extinction et la transmission spectrale globale84
4.1.4. L'atmosphère terrestre84
4.1.4.1. La composition gazeuse de l'atmosphère85
4.1.4.2. Les particules en suspension (aérosols)86
4.2. Visibilité87
4.2.1. Généralités87
4.2.1.1. Définitions87
4.2.1.2. Unités et échelles89
4.2.1.3. Besoins dans le domaine de la météorologie90
4.2.1.4. Méthodes de mesure90
4.2.2. Estimation visuelle de la portée optique météorologique91
4.2.2.1. Généralités91
4.2.2.2. Estimation de la portée optique météorologique de jour92
4.2.2.3. Estimation de la portée optique météorologique de nuit93
4.2.2.4. Estimation de la portée optique météorologique
en l'absence de repères éloignés95
4.2.3. Mesure instrumentale de la POM95
4.2.3.1. Généralités95
4.2.3.2. Instruments de mesure du coefficient d'extinction96
4.2.3.3. Instruments de mesure du coefficient de diffusion98
4.2.3.4. Exposition et implantation des instruments100
4.3. Les affaiblissements atmosphériques101
4.3.1. Affaiblissement par absorption moléculaire101
4.3.2. Affaiblissement par diffusion moléculaire103
4.3.3. Affaiblissement par absorption par les aérosols104
4.4. Les perturbations météorologiques105
4.4.1. Affaiblissement par diffusion de Mie105
4.4.1.1. Aspect théorique105
4.4.1.2. Aspect modélisation109
4.4.2. Affaiblissement par les nuages115
4.4.3. Affaiblissement par le brouillard, la brume117
4.4.4. Affaiblissement par les précipitations120
4.4.4.1. La pluie120
4.4.4.2. Autres hydrométéores (neige, grêle...)126
4.4.5. Réfraction et scintillations129
4.5. Les liaisons optiques atmosphériques134
Chapitre 5. Propagation d'un faisceau optique en milieu confiné
137
5.1. Introduction137
5.2. Les différents mécanismes de propagation138
5.2.1. Les liaisons en visibilité directe139
5.2.2. Les liaisons en visibilité directe étendue ou cellulaire140
5.2.3. Les liaisons réfléchies141
5.2.3.1. La réflexion spéculaire142
5.2.3.2. La réflexion diffuse142
5.3. Le canal de propagation147
5.3.1. Description du canal de propagation infrarouge147
5.3.2. Caractérisation du canal149
5.4. Les modèles151
5.4.1. Modèle à une seule réflexion151
5.4.2. Modèle statistique154
5.4.2.1. Affaiblissement en espace libre154
5.4.2.2. Réponse impulsionnelle155
5.4.3. Modèle à décroissance exponentielle160
5.4.4. Modèle Ceiling bounce160
5.5. Puissance supplémentaire nécessaire pour atteindre
un débit binaire donné162
5.5.1. Puissance supplémentaire nécessaire et dispersion des retards162
5.5.2. La modulation OOK (On-Off Keying)162
5.5.3. La modulation PPM (Pulse-Position Modulation)165
5.5.4. La modulation MSM (Multiple-Subcarrier Modulation)165
5.6. Le bruit optique166
5.6.1. La lumière émise par un filament de tungstène166
5.6.2. La lumière émise par un tube fluorescent à basse fréquence166
5.6.3. La lumière émise par un tube fluorescent à haute fréquence166
5.6.4. Les émetteurs audio infrarouge167
5.6.5. Les systèmes de télécommande à infrarouge des téléviseurs167
5.6.6. Les effets de la lumière du jour168
5.6.7. Modélisation de la lumière artificielle169
5.7. Conclusion et comparaison entre les médias infrarouge et radio171
Chapitre 6. Communication optique
173
6.1. Rappel sur la numérisation173
6.2. Exemples d'applications des lasers hors communication optique175
6.2.1. Secteur BTP175
6.2.2. Secteur industriel175
6.2.3. Secteur médical176
6.2.4. Secteur grand public176
6.3. Communications optiques intersatellites ou Terre-satellite177
6.3.1. Communications optiques Terre-satellite177
6.3.2. Communications optiques intersatellites177
6.4. Communications optiques atmosphériques178
6.4.1. Introduction - Principe de fonctionnement178
6.4.2. Caractéristiques181
6.4.2.1. Paramètres principaux181
6.4.2.2. Paramètres secondaires182
6.4.2.3. Exemples de systèmes installés182
6.4.3. Temps de transit184
6.4.4. Recommandations d'implémentation184
6.4.5. Législation185
6.4.5.1. L'organisation des activités de réglementation
en radiocommunications185
6.4.5.2. Réglementation des équipements LOA187
6.4.6. Notion de qualité de service et de disponibilité189
6.4.6.1. Notion d'affaiblissement géométrique189
6.4.6.2. Notion de marge d'un lien191
6.4.6.3. Disponibilité et qualité de service192
6.4.7. Les applications potentiels des LOA200
6.4.7.1. Approche géographique200
6.4.7.2. Approche applicative201
Chapitre 7. Sécurité et confidentialité
203
7.1. Sécurité des personnes203
7.1.1. Dangers203
7.1.2. Notion de classes205
7.1.3. La limite d'émission accessible (LEA)207
7.1.4. L'expositions maximales permises (EMP)207
7.1.5. Le Calcul de la DNRO208
7.1.6. La conformité à la norme IEC825/EN60825209
7.1.6.1. Laser de classe 3B209
7.1.6.2. Laser de classe 3R210
7.1.6.3. Laser de classe 2211
7.1.6.4. Laser de classe 1211
7.2. Confidentialité211
7.2.1. Confidentialité des données transmises211
7.2.2. Techniques de confidentialité212
7.2.2.1. La cryptographie212
7.2.2.2. Cryptographie à clé publique et à clé secrète213
7.2.2.3. Cryptographie quantique214
7.2.2.4. Télécommunications quantiques en espace libre214
7.2.2.5. Liaisons non cryptées en milieu confiné :
apport des matériaux artificiels215
Bibliographie
217
Index
225
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229