FR2515463A1 - Systeme optique de teledistribution par fibres - Google Patents

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE A LA DIFFUSION DE PROGRAMMES PAR SYSTEME CABLE DE SIGNAUX A VIDEOFREQUENCES ENTRE UN POSTE CENTRAL ET DES USAGERS POUVANT ETRE SITUES A PLUSIEURS KILOMETRES. L'INVENTION A POUR OBJET UN SYSTEME DE TELEDISTRIBUTION UTILISANT UN RESEAU ETOILE DE FIBRES OPTIQUES 7 AVEC, COTE POSTE CENTRAL, DES MOYENS D'EMISSION DE RAYONNEMENT MODULE 8, 9, 10 COOPERANT AVEC DES FAISCEAUX DE FIBRES 11 ET UN COMMUTATEUR OPTIQUE MULTIVOIES 16 ET, COTE USAGER, UN MOYEN TRANSDUCTEUR OPTO-ELECTRIQUE CONVERTISSANT EN SIGNAL ELECTRIQUE LE RAYONNEMENT PROVENANT DU POSTE CENTRAL. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A LA DIFFUSION DE PROGRAMMES DE TELEVISION ANALOGIQUE OU NUMERIQUE A HAUTE DEFINITION.

Description

SYSTEME OPTIQUE DE TELEDISTRIBUTION
PAR FIBRES
La présente invention se rapporte aux systèmes permettant à des abonnés d'une zone déterminée et possesseurs d'un récepteur de télévision de recevoir à domicile des programmes de télévision diffusés par un central, ces programmes étant véhiculés par une onde porteuse électromagnétique et donnant lieu à une redevance. Elle concerne plus particulièrement les réseaux de télévision câblée. Ces réseaux viennent s'ajouter aux moyens classiques de télévision hertzienne qui exploitent l'espace radioélectrique au moyen d'émetteurs basés au sol ou embarqués à bord de satellites. La télévision câblée peut puiser ses programmes dans les diffusions de la télévision hertzienne ou dans des sources diverses basées sur l'enregistre- ment ou la génération de signaux.On peut citer parmi ces sources le magnétoscope, le vidéodisque et le générateur de texte.

Les inconvénients de la télévision hertzienne sont bien connus, à savoir l'encombrement de l'espace radio-électrique, la possibilité de trajets électromagnétiques multiples entre émetteur et récepteur engendrant des échos qui affectent le contenu de l'image télévisée. En raison de la faible directivité des aériens récepteurs, une réception de télévision hertzienne est entâchée d'échos diffus qui peuvent limiter à environ six mégahertz la bande passante effective. Les progrès accomplis aujourd'hui au niveau du matériel d'émission et de réception des images télévisées permet d'envisager une qualité d'image proche de celle du studio, mais la transmission hertzienne ne se prête pas aisément à la conservation d'une telle qualité.

La télévision câblée tend à remédier aux inconvénients présentés par la télévision hertzienne et connaît une évolution rapide dûe en partie au fait que l'usager peut avoir à sa disposition un choix plus vaste de programmes et qu'il peut juger plus conforme à ses goûts de payer les programmes qu'il a choisi de regarder.

La télévision câblée a vu le jour sous la forme de réseaux arborescents composés de câbles coaxiaux dont on sait que les pertes en ligne croissent comme la racine carrée de la fréquence. Pour fixer les idées, I'atténuation dans la bande S0-300 GHz varie dans le rapport 2,45, ce qui, pour un câble coaxial de 1 cm de diamètre, donne un affaiblissement de 20 à 45 dBlkm.

Divers embranchements sont équipés de circuits actifs répéteurs et répartiteurs qui servent à compenser l'atténuation et à réaliser la distribution du signal.

Le développement des moyens de transmission à fibres optiques permet d'envisager une liaison beaucoup plus performante sur le plan de l'affaiblissement puisque l'on réalise couramment 3 dB de perte au kilomètre à 0,85 /ut de longueur d'onde. On peut donc disposer d'une zone de couverture ayant un rayon d'action de 3 à 5 kilomètres sans avoir à mettre en oeuvre des répéteurs ou des répartiteurs. L'utilisation de fibres optiques permet en outre de disposer d'une bande passante étendue supérieure à 300 MHz et en choisissant des longueurs d'ondes optiques différenciées, on arrive à multiplexer de nombreux canaux vidéo dans une même liaison par fibre. Côté abonné, la solution consiste à terminer la fibre optique par un connecteur muni d'une détection opto-électrique par exemple par diode PIN.

Coté central, on peut songer à exciter l'extrémité de la fibre à l'aide d'un laser semiconducteur associé à un circuit d'alimentation accomplissant la fonction modulatrice. Avec un tel système, chaque fibre optique désservant un abonné pourrait véhiculer un programme ou un groupe de programmes complètement personnalisé, mais la composition électrique des signaux à diffuser est basée sur un nombre de sélections bien moindre que le nombre total d'abonnés raccordés au centraL Le fait d'attribuer à chaque abonné une unité d'excitation à laser est inutilement compliquée.

La présente invention a pour objet un système optique de télédistribution par fibres comportant entre un poste central de diffusion et un ensemble d'usagers répartis dans une zone de couverture, un réseau de liaisons câblées permettant d'acheminer au moyen d'ondes électromagnétiques guidées des signaux électriques à vidéofréquence, caractérisé en ce que ledit réseau est étoilé; chaque usager étant relié au poste central par une fibre optique guidant lesdites ondes et ayant l'une de ses extrémités couplée à un moyen transducteur opto-électrique délivrant lesdits signaux électriques; ledit poste central comprenant un commutateur optique multivoies mettant en relation l'autre extrémité de ladite fibre avec une fibre optique appartenant à un faisceau collecteur ; l'injection desdites ondes dans les fibres dudit faisceau collecteur étant assurée en exposant l'ensemble de leurs extrémités à un rayonnement qui émerge d'un modulateur optique à commande électrique modulant l'énergie émise par une source de rayonnement en concordance avec l'un desdits signaux électriques.

L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles:
- la figure 1 illustre l'état de la technique dans le domaine de la télévision câblée ;
- la figure 2 illustre la structure étoilée d'un système de télédistribution selon l'invention;
- la figure 3 donne un exemple de réalisation d'un poste central selon l'invention;
- la figure 4 représente la terminaison d'une liaison côté usager;
- la figure 5 est une figure explicative;
- la figure 6 indique un mode d'injection possible de rayonnement modulé dans les fibres optiques.

Sur la figure 1, on peut voir un réseau arborescent de télévision câblée mettant en oeuvre des lignes à câbles coaxiaux. Le poste central 1 transmet vers les usagers des signaux électriques à haute fréquence qui contiennent la modulation d'un ou plusieurs programmes de télévision. A distance du poste central sont installés des circuits répartiteurs 3 permettant de compenser les pertes en ligne et de distribuer vers des embranchements A, B et C les signaux électriques émis par le poste central 1. L'atténuation que ces signaux subissent dans les divers tronçons de câbles coaxiaux sont compensées par des circuits répéteurs 2. Les usagers sont desservis aux points d'utilisation 6 par un branchement qui comporte généralement un amplificateur 4 et un circuit distributeur 5. Pour une zone de couverture de plusieurs kilomètres à partir du poste central 1, on voit que le mode de transmission par câble coaxial nécessite un matérial important puisque les répéteurs et les répartiteurs sont équipés d'amplificateurs pour lesquels il faut prévoir une alimentation électrique et une maintenance appropriée.

Selon ce concept de télédistribution, l'usager dispose d'un récepteur de télévision auquel est relié un dispositif décrypteur qui réserve l'accès au programme diffusé afin de permettre Févaluation d'un taux de redevance.

En utilisant l'infrastructure existante des réseaux de télévion câblée, on peut assurer le renouvellement des matériels en adoptant un concept différent basé sur la transmission par fibres optiques. Selon cette approche, on peut également créer de nouveaux réseaux ou étendre des réseaux existants avec des frais d'infrastructure et d'équipement plus faibles. L'idée repose sur le fait qu'il suffit de fournir à l'abonné le programme ou le groupe de programmes qu'il a commandé en le reliant au poste central à ce programme ou à ce groupe. Sur la figure 2, on peut voir la structure simplifiée d'un système de télédistribution selon l'invention. Il s'agit d'un réseau étoilé à partir du poste central avec une liaison directe 7 vers chaque usager 6.En utilisant des fibres optiques pour réaliser ces liaisons, l'atténuation en ligne n'a pas à être compensée pour des distances de plusieurs kilomètres ce qui évite toute ramification et usage de circuits répartiteurs ou répéteurs.

L'usager 6 correspond avec le poste central 1 par le truchement d'un moyen de communication existant 8 et le poste central exécute la commande en mettant la liaison 7 de l'usager en relation avec une source locale de programmes qui sera détaillée par la suite. Cette mise en relation conditionne la facturation si l'on opte pour la formule d'une télévision payante "à la carte". Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de réserver l'accès aux programmes chez l'usager, ce qui simplifie les moyens de réception.

Les transmissions par fibres optiques permettant d'envisager une très large bande passante de plusieurs centaines de mégahertz, offrent la possibilité de rassembler dans une même modulation optique un groupe de canaux véhiculés par une onde porteuse - lumineuse ou infrarouge. Le multiplexage optique avec plusieurs longueurs d'ondes optiques est tout à fait envisageable dans le cadre d'une transmission par fibre optique. Les avantages de la transmission par fibres optiques permettent d'intégrer un tel système à un réseau universel de communication. Le-programme peut désigner aussi bien un signal de télévision conventionnelle analogique, qu'un programme de télévision numérique à haute définition.

En prenant pour base la disposition de la figure 2, on peut chiffrer la puissance optique à injecter dans une fibre optique 7. Pour convertir, côté usager l'énergie lumineuse en signal de télévision composite propre à alimenter un récepteur, on peut mettre en oeuvre un transducteur optoélectrique ayant un facteur de bruit de 6 dB. Pour une bande passante de 6 MHz, la puissance de bruit est de l'ordre de 2,5 10-14 Watt, ce qui fixe la puissance optique incidente correspondant au niveau le plus bas du signal à 1"-13 Watt.Une image de télévision de très bonne qualité demande un rapport signal à bruit de 50 dB ce qui nécessite de disposer à l'entrée du transducteur d'une puissance WO = io-8 Watt, mais il faut tenir compte du rendement quantique du transducteur qui est de 6 % par exemple. Ainsi, la puissance lumineuse à fournir à l'usager en sortie de fibre est de l'ordre de 0,16 microwatt. Pour une liaison par fibre optique de quelques kilomètres, les pertes en ligne ne dépassent pas 10 à 15 dB, de sorte que la puissance à injecter dans la fibre optique est d'environ 2 microwatt.

Cette simple évaluation montre que l'excitation des fibres optiques au poste central ne demande que peu d'énergie optique.

Sur la figure 3, on peut voir à titre d'exemple non limitatif le schéma d'un poste central permettant à chaque usager d'un système de télédistribution d'avoir le choix entre trois programmes ou groupes de programmes. Les fibres optiques 7 représentent les départs vers usagers dont le nombre représente la capacité de raccordement du poste central. Un commutateur optique multivoies 16 permet d'établir une liaison optique entre l'une quelconque des extrémités des fibres 7 rassemblée dans une surface de sortie et une fibre incidente appartenant à l'un quelconque des trois faisceaux 11 représentés sur la figure 3. Les fibres incidentes des faisceaux
Il ont leurs extrémités agencées selon trois champs dans une surface d'entrée du commutateur optique 16.Un circuit d'adressage 15 assure la mise en relation d'une terminaison de fibre émettrice dans la surface d'entrée avec une terminaison de fibre réceptrice située dans la surface de sortie. Cette mise en relation peut se faire au moyen de lentilles collimatrices et de déflecteurs disposés entre les surfaces d'entrée et de sortie.

Dans le cas d'une commande électrique, les déflecteurs peuvent être constitués par des éléments du type diasporamètre associant deux prismes dont la rotation permet de défléchir le faisceau collimaté provenant d'une fibre émettrice vers n'importe quel point adressé de la surface de sortie. Si tous les usagers souhaitent se raccorder au même programme, le nombre de fibres par faisceau 1 1 doit être égal à la capacité du poste, mais cette situation est exceptionnelle. En réalité, le nombre de fibre par faisceau est inférieur à la capacité du réseau car tous les usagers ne sont pas tous demandeurs du même programme au même instant. Dans le cas de la figure 3, L'ensemble des fibres des faisceaux 1 1 peut être choisi au plus égal à la capacité du poste central.On peut faire face à des demandes nombreuses portant sur le même programme en injectant ce programme dans plusieurs unités modulatrices.

Comme le montre la figure 3, les faisceaux 1 1 sont raccordés à trois unités modulatrices.

Chaque unité modulatrice comporte une monture 13 où viennent se regrouper les extrémités des fibres de chaque faisceau collecteur 11 et un modulateur optique à commande électrique 9, alimenté par une source de rayonnement optique suffisament puissante pour irradier toutes les fibres contenues dans la monture 13 et fournir à l'entrée des fibres 7 la puissance de 2 microwatt calculée ci-dessus. L'éclairage uniforme de toute l'étendue de la monture 13 peut être obtenue par un moyen optique distributeur 10.

Dans le cas de la figure 3, on a prévu une source laser 8 associée à un modulateur acousto-optique ou électrooptique 9 pour obtenir un faisceau modulé et collimaté dont l'épanouissement est assuré par une lentille sphérique convergente ou divergente 10. Chaque modulation optique 9 est commandée par un signal électrique dont les caractéristiques sont adaptées aux possibilités de réception chez l'usager. Les signaux électriques sont élaborés dans un circuit modulateur 12 qui regroupe les sources de programmes, les moyens de multiplexage en fréquence qui permettent de grouper les programmes par canaux, les boucles de contre-réaction qui par prélèvement optique dans les montures 13 assurent l'injection linéaire et calibrée du rayonnement modulé destiné aux usagers et le circuit de commutation qui affecte les signaux électriques de commande aux unités de modulation en service.

Le circuit d'adressage 15 peut comporter des moyens permettant de gérer les commandes des usagers appliquées à l'entrée 17 pour exécuter les branchements et établir si nécessaire la facturation personnalisée. Les circuits de gestion peuvent en fonction de la demande, fournir au circuit modulateur 12 des instructions affectant par exemple un même programme à deux unités de modulation pour faire face à une demande anormalement élevée.

Sur la figure 3, les sources laser 8 peuvent être de puissances égales pour certaines unités de modulation, mais pour des programmes moins demandés, on peut prévoir une source lumineuse de moindre puissance avec un nombre réduit de fibres dans le faisceau 11 correspondant. A titre d'exemple non limitatif, les sources 8 peuvent être avantageusement constituées par des lasers YAG-Néodyme qui sont capables de délivrer des puissances optiques de 1 à 10 Watts continus. Un système de télédistribution de quelques milliers d'abonnés fonctionnant à la longueur d'onde de 1,06 micron fournie par des lasers YAG-Néodyme ne pose donc pas de problème en ce qui concerne la puissance disponible. Ce choix de longueur d'onde est particulièrement avantageux comme illustré sur la figure 5.

La figure 5 donne l'affaiblissement a en décibel par kilomètre d'une ligne de transmission longue de 30 km réalisée par fibre optique à gradient d'indice fabriquée par dépôt axial en phase vapeur. Le paramètre porté en abscisse est la longueur d'onde À du rayonnement optique guidé. La courbe 21 révèle que l'atténuation diminue avec l'accroissement de la longueur d'onde, mais qu'il existe des pointes d'atténuation 22 et 23 surtout sensibles à 1,25 et 1,4 micron du fait de la présence d'ions OH dans la fibre. Le fonctionnement à À0 = 1,06 micron évite cette gêne et procure un affaiblissement de transmission modéré.

La figure 4 illustre le mode de raccordement côté abonné. Le récepteur 20 reçoit un signal électrique produit par un transducteur optoélectrique 19 couplé optiquement à l'extrémité de la fibre 7. Ce transducteur peut être logé dans un connecteur 18. Lorsqu'on a besoin d'une bande de fréquences étendue, la détection peut se faire au moyen d'une diode PIN.

A titre indicatif, un exemple de commutateur à très grand nombre de voies est décrit dans la demande de brevet déposée en France le 30 Mai 1979 sous le numéro 79.13 766. Le commutateur 16 de la figure 3 peut également être réalisé en utilisant un milieu photo-réfractif où sont créés à la demande des réseaux de diffraction établissant les liaisons souhaitées. Dans ce cas, il y a avantage à effectuer la transmission au moyen d'une porteuse infrarouge qui n'efface pas le réseau d'indice servant à mettre en relation les usagers et les unités de modulation.

Sur la figure 6, on a représenté un détail de réalisation d'une unité de modulation.

Les fibres optiques 110 du faisceau 1 1 ont leurs extrémités rassemblées dans une monture 26 de façon à épouser une surface. concave de centre F. Le rayonnement guidé par le coeur 25 de la fibre 110 est capté par l'extrémité 24 qui a reçu une forme arrondie destinée à rendre optimale l'injection du rayonnement issu du foyer F et contenu dans l'angle solide 30.

Le modulateur optique représenté sur la figure 6 est un modulateur acoustooptique dont le barreau 9 est fait d'un cristal de molybdate de plomb.

L'excitation d'ondes acoustiques au sein du barreau 9 est assurée par un transducteur électromécanique 28 en niobate de lithium soudé à l'indium.

Ce transducteur est alimenté par un oscillateur 27 modulé en amplitude par les signaux électriques provenant du circuit 12. Le faisceau 29 traverse le barreau 9 en subissant une réflexion d'intensité variable sous incidence de
Bragg. II est focalisé à la sortie du barreau 9 par une lentille 10 de foyer F.

La distance focale de la lentille 10 est choisie pour obtenir une ouverture angulaire 31 qui assure un éclairage uniforme de l'ensemble des fibres équipant la monture 26. Le faisceau 29 est fourni, par exemple, par un laser
YAG-Néodyme.

L'invention n'est pas limitée au cas d'une liaison parcourue par une seule onde- électromagnétique monochromatique. On peut envisager des sources lumineuses de longueurs d'ondes différentes dont les faisceaux sont superposés après modulation optique pour exciter les extrémités des fibres raccordées au commutateur optique 16. La séparation des porteuses optiques chez l'usager. peut se faire au moyen de filtres dichroiques séparateurs alimentant plusieurs photodétecteurs. En associant la diversité de longueur d'onde et le multiplexage en fréquence de plusieurs canaux, chaque usager peut disposer de plusieurs jeux de programmes. L'un de ces jeux étant diffusé par le poste central à la demande de l'usager, celuici peut disposer localement d'une certaine autonomie de choix ce qui simplifie et rend plus commode la diffusion d'un catalogue important.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Système optique de télédistribution par fibres comportant entre un poste central de diffusion (1) et un ensemble d'usagers (6) répartis dans une zone de couverture, un réseau de liaisons câblées permettant d'acheminer au moyen d'ondes électromagnétiques guidées des signaux électriques à vidéofréquence, caractérisé en ce que ledit réseau est étoilé; chaque usager (6) étant relié au poste central par une fibre optique (7) guidant lesdites ondes et ayant l'une de ses extrémités couplée à un moyen transducteur optoélectrique (19) délivrant lesdits signaux électriques; ledit poste central (1) comprenant un commutateur optique multivoies (16) mettant en relation l'autre extrémité de ladite fibre (7) avec une fibre optique appartenant à un faisceau collecteur (11); l'injection desdites ondes dans les fibres dudit faisceau collecteur (11) étant assurée en exposant l'ensemble (13) de leurs extrémités à un rayonnement qui émerge d'un modulateur optique à commande électrique (9) modulant l'énergie émise par une source de rayonnement (8) en concordance avec l'un desdits signaux électriques.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux faisceaux collecteurs (11) irradiés respectivement par deux faisceaux modulés issus de deux modulateurs optiques à commande électrique (9).

3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits modulateurs optiques (9) reçoivent des faisceaux provenant de plusieurs sources (8) de rayonnement.

4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites sources de rayonnement (8) émettent des rayonnements de longueurs d'ondes différenciées.

5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen transducteur opto-électrique (19) comporte plusieurs éléments photodétecteurs reliés à l'extrémité de la fibre (7) par des moyens optiques séparateurs de longueurs d'ondes.

6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un laser à émission continue dans l'infrarouge.

7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit laser est un laser YAG-Néodyme.

8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la modulation optique du rayonnement est une modulation acousto-optique.

9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la modulation optique du rayonnement est une modulation électrooptique.