FR2732843A1 - Procede pour obtenir des signaux d'erreur pour une regulation spatiale du rayonnement d'un recepteur optique interferentiel - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé pour obtenir des signaux d'erreur pour une régulation spatiale du rayonnement d'un récepteur optique interférentiel. Selon ce procédé, la lumière d'un laser local (3) est superposée dans l'espace libre à la lumière reçue, et cette dernière est envoyée à des détecteurs (4**1,4**2) de sorte qu'après addition et soustraction de courants de sortie correspondants des détecteurs, on obtient un signal d'erreur pour une régulation (en 6) du rayonnement et le signal de donnée. Application notamment aux systèmes de communication optique.

Description

PROCÉDÉ POUR OBTENIR DES SIGNAUX D'ERREUR POUR UNE

REGULATION SPATIALE DU RAYONNEMENT D'UN RÉCEPTEUR OPTIQUE

INTERFtRENTIEL L'invention concerne un procédé pour obtenir des

signaux d'erreur pour une régulation spatiale du rayonne-

ment d'un récepteur optique interférentiel-

La transmission d'informations à l'aide d'une lumière est, dans l'espace, une alternative intéressante à

des liaisons par micro-ondes étant donné qu'à l'accroisse-

ment de la fréquence porteuse sont associés une meilleure focalisation du rayonnement et par conséquent un gain d'antenne nettement supérieur. Cet avantage peut être mis à profit pour réduire la taille des antennes, réduire la

puissance d'émission ou accroître la vitesse de transmis-

sion des données. De ce fait, on peut réduire le poids et

la consommation en énergie, deux critères qui sont impor-

tants pour des systèmes utilisant des satellites.

Dans la communication optique, on dispose aussi bien de la réception directe peu compliquée, mais sensible à la lumière ambiante, que de la réception interférentielle, extrêmement sensible et donc particulièrement appropriée pour des applications A l'espace. Le gain de sensibilité dans le cas d'une réception interférentielle par rapport à ia réception directe conduit cependant à une réalisation nettement plus coûteuse et impose en outre des exigences

accrues aux composants utilisés.

Au gain élevé d'antennes optiques ou de lunettes est associé un angle très faible de divergence, et c'est pourquoi une orientation précise des antennes les unes par

rapport aux autres est nécessaire. Les systèmes de régula-

tion du rayonnement doivent être à même de permettre une liaison exempte d'interruptions en dépit de déplacements

systématiques et stochastiques des satellites.

Comme cela est décrit par Wittig, M. et consorts dans "In OrbitMeasurment of Microaccelerations of ESA's Communication Satellite OLYMPUS", SPIE Proceedings,

Vol. 1218 (1990), pages 205-213, les déplacements stochas-

tiques pour un satellite peuvent être modélisés sous la forme de deux variations angulaires à distribution gaus- sienne, indépendantes l'une de l'autre, qui possèdent un spectre de densité de puissance S. reproduit ci-après: <

S,.09-

SW

f désignant la fréquence des variations angulaires.

Une partie de ces variations angulaires peut être éliminée par réglage à l'aide d'un système de régulation du rayonnement et on obtient un écarttype d'un signal d'erreur non compensé de chaque composante (voir Hayden, W. et consorts, "Wide-band precision two-axis beam steerer tracking servo design and test results", SPIE Proceedings, Vol. 1866, pages 271-279 (1993)): p

Coût= GRct =J[I S (O)G() 22df.

o Opx,Rest, Opy,Rest désignant l'écart-type du signal d'erreur non compensé des deux composantes et G(f) désignant la fonction de transfert du signal parasite du système de régulation du rayonnement. Les variations angulaires non

compensées dépendent d'une variation de la puissance détec-

tée et conduisent à un accroissement de la probabilité

d'erreur du système de communication.

Dans de nombreux cas, la fonction de transfert du signal parasite peut être décrite approximativement comme celle d'un filtre passe-haut du premier ordre ayant une fréquence limite fg:

G 4)

G/ -er Les variations angulaires sont d'autant mieux réduites que la largeur de bande du système de régulation

du rayonnement est grande.

Un problème central dans le cas de la régulation du rayonnement consiste cependant à obtenir un signal d'erreur approprié pour une régulation à large bande et

présentant peu de bruits.

Pour obtenir un signal d'erreur dans des systèmes optiques interférentiels, on distingue habituellement les concepts indiqués ci-après. Dans le cas de l'obtention d'un signal d'erreur au moyen d'une réception directe, la lumière reçue est divisée en deux faisceaux partiels à l'aide d'un diviseur de faisceau, par exemple des miroirs

semi-transparents. Une partie de la lumière est habituelle-

ment injectée dans une fibre de verre, la lumière du laser local est superposée à cette partie de la lumière dans un coupleur de fibres, et cette partie de la lumière est

envoyée au récepteur cohérent du système de communication.

Une seconde partie de la lumière est envoyée à un détecteur de position, à un appareil de prise de vues CCD (c'est-à-dire à dispositif à couplage de charges) ou à ce qu'on appelle une photodiode à 4 quadrants, et un signal

d'erreur est produit. De même, une combinaison de diffé-

rents détecteurs est possible. On peut supprimer la divi-

sion du faisceau en deux parties dans le cas o dans l'émetteur on utilise, en dehors du laser de communication, un laser supplémentaire ayant une autre longueur d'onde

(BEACON) pour la régulation du rayonnement.

Cependant l'obtention d'un signal d'erreur au moyen de la réception directe pose des problèmes lorsqu'une lumière ambiante est également captée par la lunette de réception. Dans re cas, le rapport signal/bruit du signal d'erreur et par conséquent également la suppression du parasitage sont mauvais. La partie de la lumière reçue, qui

est éventuellement séparée pour la régulation du rayonne-

ment, n'est pas disponible pour la branche de communica-

tion. De ce fait, la puissance d'émission nécessaire pour

une probabilité d'erreur détcrminée est accrue.

En outre, l'ajustement des détecteurs du système de régulation du rayonnement par rapport au système de com- munication doit satisfaire à des exigences maximales. La largeur de bande, que l'on peut obtenir, de la suppression des parasites est en général nettement inférieure à 1 kHz en raison de temps importants de traitement des signaux dans le cas de l'appareil de prise de vues CCD ou bien en raison du mauvais rapport signal/bruit en raison de la

lumière ambiante.

Dans le cas du principe dit du "Nutator", la caractéristique directionnelle d'une lunette de réception est modifiée périodiquement, par exemple par un déplacement circulaire de la fibre de verre du récepteur. Sinon, le faisceau de réception peut être dévié au moyen de lentilles

mobiles, de miroirs mobiles ou également par voie acousto-

optique ou électro-optique.

Dans le cas o la lunette de réception n'est pas orientée de façon optimale, la puissance lumineuse détectée par le récepteur varie. Grâce à une modulation appropriée de cette puissance détectée, on peut obtenir un signal

d'erreur pour la régulation du rayonnement. Pour l'acquisi-

tion du faisceau de réception, on utilise ici également en

supplément un appareil de prise de vues CCD.

Un inconvénient dans le cas du principe du "Nuta-

tor" indiqué brièvement dans ce qui précède, tient au fait que dans ce procédé, la largeur de bande maximale, que l'on peut obtenir, de la suppression des parasites est égale

approximativement à un dixième de la fréquence du déplace-

ment circulaire superposé au faisceau de réception. La fré-

quence de rotation doit être habituellement supérieure à kHz pour des communications optiques par satellite et

des exigences extrêmement élevées sont imposées aux compo-

sants utilisés dans le cas d'une déviation mécanique du

faisceau de réception ou de la fibre de verre du récepteur.

C'est pourquoi l'utilisation de tels composants dans l'espace semble critique. Cet inconvénient est évité par exemple dans le cas d'une déviation électro-optique ou acousto-optique du faisceau, mais ceci implique des pertes

optiques en partie élevées.

L'obtention du signal d'erreur pour une régula-

tion spatiale d'un rayonnement s'effectue au moyen d'une

démodulation synchrone de la puissance optique détectée.

Par exemple, le déphasage, qui dépend de la température, des composants participant à la régulation du rayonnement, doit être pris en compte et être éventuellement éliminé par réglage. Une erreur résiduelle inévitable dans la pratique

conduit, tout comme le déplacement circulaire de la carac-

téristique de réception autour de son maximum, à une perte

systématique de sensibilité.

D'après la demande de brevet européen 642 236 A2, on connait un procédé pour obtenir des signaux d'erreur pour une régulation spatiale du rayonnement d'un récepteur

optique interférentiel dans lequel un ensemble de photo-

diodes au silicium est utilisé pour la réception cohérente d'un signal de données et pour la réception directe de

signaux d'erreur.

C'est pourquoi l'invention a pour but d'obtenir

un signal d'erreur pour une régulation spatiale du rayonne-

ment d'un récepteur optique interférentiel et simultané-

ment un signal de donnée avec un bon rapport signal/bruit,

tout en évitant des pertes systématiques.

Ce problème est résolu conformément à l'invention à l'aide d'un procédé pour obtenir des signaux d'erreur pour une régulation spatiale du rayonnement d'un récepteur optique interférentiel dans un système de communication, caractérisé en ce a) qu'une lumière d'un laser local est superposée à la lumière reçue, dans l'espace, et b) que la lumière reçue est envoyée à des détecteurs constitués chacun d'au moins deux éléments de détection, de sorte qu'on obtient aussi bien un signal d'erreur pour la régulation du rayonnement que le signal de donnée après

une addition et une soustraction correspondantes de cou-

rants de sortie des détecteurs.

En outre l'invention a trait à un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif de lentilles et deux systèmes de miroirs de renvoi, que la lumière du laser local est superposée à la lumière reçue, focalisée de cette manière, dans un prisme diviseur

de faisceau, dont l'action ne dépend pas de la polarisa-

tion, et la lumière reçue est divisée en deux faisceaux de rayonnement, et que les deux faisceaux de rayonnement sont envoyés, pour la détection, à deux couples de photodiodes, dont les courants de sortie sont amplifiés, après addition et soustraction

dans des circuits additionneurs ayant des circuits sous-

tracteurs, dans des amplificateurs branchés en aval, ce qui permet d'obtenir le signal de donnée et, après redressement dans des redresseurs, les composantes x et y d'un signal

d'erreur pour la régulation du rayonnement.

Dans le cadre de la solution selon l'invention, la lumière d'un laser local est superposée dans l'espace à la lumière reçue délivrée par un dispositif optique, et un signal interférentiel obtenu est détecté à l'aide d'un

certain nombre de photodiodes. Ensuite, grâce à une addi-

tion ou à une soustraction appropriée des courants des pho-

todiodes, on obtient d'une part un signal d'erreur pour la régulation du rayonnement ainsi que le signal de donnée modulé d'une manière quelconque. La forme et l'orientation des différentes photodiodes sont choisies de telle sorte que d'une part déjà pour une faible déviation du faisceau de réception par rapport à sa position optimale, on obtient un signal d'erreur, et d'autre part le signal de donnée possède un rapport signal/bruit aussi élevé que possible. A cet effet, on utilise comme photodiodes, de préférence des photodiodes de forme semi- circulaire. Dans le cas o l'oscillateur local est débranché,

il est en outre possible, grâce au concept selon l'inven-

tion, d'avoir une acquisition et un asservissement de la lumière reçue, au moyen de la réception directe. Ceci est à nouveau nécessaire pour une mise en service d'un système de

transmission cohérent.

Dans le procédé selon l'invention, les avantages

de l'obtention d'un signal d'erreur au moyen d'une récep-

tion directe et sur la base de ce qu'on appelle le principe du "Nutator" sont réunis et simultanément les inconvénients

de ces réceptions sont évités. Étant donné que, conformé-

ment à l'invention, le signal utilisé pour la régulation

est obtenu à partir des courants de superposition de photo-

diodes, le rapport signal/bruit est élevé et pratiquement indépendant de la lumiEre ambiante. En association avec un très bref retard du signal d'erreur, cela permet une grande largeur de bande du système de régulation du rayonnement et

conduit par conséquent à une forte réduction des parasites.

Dans le procédé selon l'invention, il n'est éga-

lement pas nécessaire de séparer une partie de la lumière

reçue pour obtenir le signal utilisé pour la régulation.

Une orientation systématique erronée de la lunette de réception comme dans le cas du principe du "Nutator" est également absente. C'est pourquoi dans le procédé selon l'invention, on n'obtient pas les pertes systématiques constatées dans le cas des procédés mentionnés brièvement

plus haut.

En outre les exigences mécaniques, particulière-

ment critiques pour des applications à l'échelle mondiale,

sont en partie fortement réduites. En outre, on peut négli-

ger des défauts optiques de formation d'images, qui appa-

raissent sous l'effet d'aberrations en raison de la grande

distance focale.

D'autres caractériztiques et avantages de la pré-

sente invention ressortiront de la description donnée ci-

après prise en référence aux dessins annexés, sur les-

quels: - la figure 1 est une illustration schématique, à l'aide de schémas-blocs, du procédé selon l'invention; et

- la figure 2 fournit une représentation, égale-

ment en partie au moyen de schémas-blocs, d'un dispositif

pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

Comme cela est indiqué schématiquement sur la figure 1, une lumière reçue par un système optique de réception et qui est ensuite réunie en faisceau et est focalisée, est envoyée à un diviseur de faisceau 2. Dans le diviseur de faisceau 2, une lumière émanant d'un oscillateur local 3 est superposée à la lumière reçue focalisée. La lumière reçue, à laquelle est superposée la lumière de l'oscillateur local, est divisée de façon correspondante par le diviseur de faisceau 2, et les faisceaux partiels obtenus sont envoyés à des détecteurs respectifs 41 et 42 formés par des photodiodes. Aussi bien un signal interférentiel ?;cdu!é par l'information que des composantes x et y du signal d'erreur sont formés dans un système électronique 5 disposé en aval, dont l'agencement de principe sera décrit plus loin de façon plus détaillée en référence à la figure 2. Les composantes x et y du signal d'erreur sont utilisées pour la commande du

faisceau, par l'intermédiaire d'une unité de régulation 6.

En outre la régulation de fréquence et éventuellement la régulation de phase de l'oscillateur local sont dérivées du

signal interférentiel.

On va maintenant expliquer en référence à la

figure 2 un exemple de réalisation avantageux d'un disposi-

tif pour la mise en ceuvre du procédé selon l'invention.

Sur la figure 2, une lumière de réception incidente, indi-

quée par trois flèches horizontales dans la partie gauche

de la figure 2, est focalisée au moyen d'un système de len-

tilles comprenant deux lentilles 10 et 13, dont les aberra- tions sont corrigées, et par l'intermédiaire de systèmes de miroirs de renvoi 11 et 12, sur les photodétecteurs. La combinaison d'une lentille convexe 10 et d'une lentille concave 13 fournit une forme de construction courte pour une grande distance focale. En ce qui concerne les deux systèmes de renvoi, il s'agit d'un système de miroir de

renvoi lent 11 présentant une grande dynamique, et un sys-

tème de miroir de renvoi rapide 12 à faible dynamique. Dans le prisme diviseur de faisceau 20, qui agit d'une manière indépendante de la polarisation, une lumière produite par un laser local 3 est superposée dans l'espace à la lumière reçue mise en faisceau et focalisée. Les faisceaux partiels formés par le prisme diviseur de faisceau 20 sont détectés par des couples respectifs de photodiodes 41 et 42. De préférence on utilise, comme photodiodes des couples de

photodiodes 41 et 42! des photodiodes de forme semi-

circulaire. Les courants de sortie des photodiodes des couples de photodiodes 41, 42 sont amplifiés dans des amplificateurs à faible bruit 511 à 512 et sont ensuite additionnés dans des circuits additionneurs 54 et 55 ou sont soustraits dans des circuits soustracteurs 51 à 53, d'une manière correcte du point de vue du signe, et sont ensuite amplifiés séparément dans des amplificateurs 561 à 563 branchés en aval. Pour la formation de la composante x du signal d'erreur, un redresseur 571 est associé à l'amplificateur 561, et pour la formation de la composante y du signal d'erreur, un redresseur 572 est associé à

l'amplificateur 562. Après le redressement, exécuté de pré-

férence d'une manière synchrone, des composantes (x,y) du signal d'erreur, ces composantes sont envoyées à une unité de régulation 6, dont les signaux de sortie sont utilisés pour une régulation spatiale correspondante du rayonnement

à l'aide des deux systèmes de miroirs de renvoi 11 et 12.

Le signal interférentiel qui est modulé par

l'information et qui est présent sur la sortie de l'ampli-

ficateur 563, est envoyé aussi bien à l'unité 7 servant à

obtenir le signal de données qu'à l'unité 30 servant à réa-

liser la régulation de fréquence et éventuellement la régu-

lation de phase de l'oscillateur local 3.

Comme cela a déjà été indiqué brièvement dans ce qui précède, le signal de donnée possède un rapport signal/bruit élevé et est pratiquement indépendant de la lumière ambiante. Simultanément, en raison du très faible retard dans les composantes x et y du signal d'erreur, on obtient une largeur de bande élevée dans le système de régulation du rayonnement, ce qui permet d'obtenir à

nouveau une réduction très importante des parasites.

Claims (3)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour obtenir des signaux d'erreur pour une régulation spatiale du rayonnement d'un récepteur optique interférentiel dans un système de communication, caractérisé en ce a) qu'une lumière d'un laser local (3) est superposée à la lumière reçue, dans l'espace, et b) que la lumière reçue est envoyée à des détecteurs (41 42) constitués chacun d'au moins deux éléments de détection, de sorte qu'on obtient aussi bien un signal d'erreur pour la régulation du rayonnement que le signal de donnée après

une addition et une soustraction correspondantes de cou-

rants de sortie des détecteurs (41 et 42)

2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication i, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif de lentilles (10,13) et deux systèmes de miroirs de renvoi (11,12), que la lumière du laser local (3) est superposée à la lumière reçue, focalisée de cette manière, dans un prisme diviseur de faisceau (20), dont l'action ne dépend pas de la polarisation, et la lumière reçue est divisée en deux faisceaux de rayonnement, et que les deux faisceaux de rayonnement sont envoyés, pour la détection, à deux couples (41 et 42) de photodiodes, dont les courants de sortie sont amplifiés, après addition et soustraction dans des circuits additionneurs (54,55) ayant

des circuits soustracteurs (51 à 53), dans des amplifica-

teurs (561 à 563) branchés en aval, ce qui permet d'obtenir le signal de donnée et, après redressement dans des redresseurs (571 et 572), les composantes x et y d'un

signal d'erreur pour la régulation du rayonnement.

3. Dispositif selon la revendication 2, caracté-

risé en ce que les couples (41 et 42) de photodiodes sont

constitués chacun de deux photodiodes semi-circulaires.