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WO2014195431A1 - Systemes de communication bidirectionnelle continue par liaison atmospherique - Google Patents

Systemes de communication bidirectionnelle continue par liaison atmospherique Download PDF

Info

Publication number
WO2014195431A1
WO2014195431A1 PCT/EP2014/061757 EP2014061757W WO2014195431A1 WO 2014195431 A1 WO2014195431 A1 WO 2014195431A1 EP 2014061757 W EP2014061757 W EP 2014061757W WO 2014195431 A1 WO2014195431 A1 WO 2014195431A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
transponders
fixed
transponder
devices
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/061757
Other languages
English (en)
Inventor
Pascal Joffre
Original Assignee
Reseau Ferre De France
Micro Module
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Reseau Ferre De France, Micro Module filed Critical Reseau Ferre De France
Priority to EP14733547.5A priority Critical patent/EP3005586A1/fr
Publication of WO2014195431A1 publication Critical patent/WO2014195431A1/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/112—Line-of-sight transmission over an extended range
    • H04B10/1123—Bidirectional transmission

Definitions

  • the present invention relates to two-way continuous communication systems by optical link at several wavelengths between an infrastructure and a mobile moving relative to this infrastructure.
  • the invention relates in particular to the communication systems between a train and a railway infrastructure. It can also concern the case of a motor vehicle driving on a road infrastructure or a boat moving on a waterway.
  • Atmospheric optical link communication systems are known between a mobile network associated with a mobile in motion and a fixed network associated with an infrastructure on which the mobile is traveling, in which fixed transponders are arranged along the infrastructure, while mobiles are equipped with embedded transponders.
  • Each optical transponder is equipped with a self-pointing device on the optical transponders opposite which makes it possible to establish a communication between a fixed transponder and an onboard transponder.
  • Some state-of-the-art systems use buffers to accumulate packets to be transmitted during the establishment phase of the connection and transmit them when a connection is established.
  • Such systems have many disadvantages. They are particularly vulnerable to packet loss due to a buffer overflow, which occurs when the physical link is not restored while the buffer has reached its capacity. maximum storage.
  • a buffer overflow often causes process blockage and communication failure. An increase in the capacity of the buffer is still possible but increases the response time (latency) of the network, which is detrimental to the quality of communication especially applications of "real-time" type (telephony, videoconferencing, remote office).
  • the invention proposes a communication system in which the handover mechanism is managed at the OSI 1 (physical layer), OSI 2 (link layer) and higher layers. Since the handover is managed at the level of the lower layers and therefore upstream of the routing of the packets, the update of the routing of the packets according to the changes of access point to the network is done with anticipation and not a posteriori without anticipation.
  • the invention significantly reduces the risk of packet loss in the handover mechanism located in the lowest hardware layer of the network, very upstream in the routing of packets. Thus, in the nominal operating mode, there is no data loss by buffer overflow, the network latency time is minimum and the maximum rate.
  • the invention overcomes at least one of the aforementioned drawbacks by proposing a continuous bidirectional communication system by atmospheric connection between an infrastructure equipped with fixed optical transponders connected to laser transmission / reception devices, and at least one moving mobile by compared to the infrastructure and equipped with at least two onboard optical transponders connected to laser transmission / reception devices, the optical transponders are each equipped with a self-pointing system adapted to perform a pointing operation on a optical transponders facing each other, to ensure communication between the fixed transponders and the onboard transponders, the system being characterized in that each fixed optical transponder is coupled to at least one optical fiber arranged along the infrastructure by the intermediate of an optical insertion / extraction device, a comma unit central station being adapted to control the optical insertion / extraction devices and / or the laser transmission / reception devices according to the position of the mobile, so that one of the on-board transponders communicates with a fixed transponder while the other onboard transponder performs a pointing operation with another fixed transponder.
  • the optical insertion / extraction devices are optical switches, and in that two consecutive optical transponders are coupled to different optical fibers, the central control unit being adapted to switch the optical switches one after the other in the direction of movement of the mobile, so that one of the onboard transponders communicates with a fixed transponder while the other transponder board performs the pointing operation with another fixed transponder;
  • the optical insertion / extraction devices are selective at a wavelength band of their own and fixed, the laser transmission / reception devices being wavelength-adaptable, a central control unit being adapted to vary the transmission / reception wavelength of the laser transmission / reception devices as a function of the position of the mobile, so that the transmission / reception wavelengths of the laser transmission / reception devices belong to the wavelength band of the optical insertion / extraction multiplexer of at least one of the fixed optical transponders on which the onboard optical transponders are pointed;
  • the wavelength band injected / extracted by the optical insertion / extraction devices is reconfigurable, the central control unit being adapted to vary the wavelength band injected / extracted from each insertion / extraction multiplexer according to the position of the mobile, so that the wavelengths of the laser transmission / reception devices belong to the wavelength band injected / extracted from the optical insertion / extraction multiplexer of at least a fixed optical transponders on which the onboard optical transponders are pointed; each optical fiber is connected to a wavelength selective optical router whose outputs are connected to a fixed network switch, the wavelength selective optical router and / or the fixed network switch being controlled by the control unit central so that the data flow from the onboard laser transmit / receive devices results in at least one set of two network ports of the network switch, the two network ports operating in aggregation within the network switch; the communication system comprises a plurality of fixed network switches distributed along the infrastructure, one of the network ports of each fixed network switch being connected to a network port of the two adjacent fixed network switches so as to ensure continuity of communication between the switches
  • the main and secondary optical fibers are integral with a piezoelectric bimetallic strip so that the application of an electrical voltage across the piezoelectric bimetallic strip results in a deformation of the Bragg grating or networks inscribed in the zone of junction of primary and secondary optical fibers;
  • the wavelength-adaptive laser transmission / reception devices comprise a tunable wavelength laser emission / reception device and an electro-optical external modulator.
  • the invention also proposes a method of continuous bidirectional communication by atmospheric link between an infrastructure equipped with fixed optical transponders connected to laser transmission / reception devices, and at least one moving mobile with respect to the infrastructure and equipped with at least two onboard optical transponders connected to laser transmission / reception devices, the optical transponders are each equipped with a self-pointing system adapted to perform a pointing operation on one of the optical transponders opposite, so as to providing communication between the fixed transponders and the onboard transponders, each fixed optical transponder being coupled to at least one optical fiber arranged along the infrastructure via an optical insertion / extraction device, the method being characterized in what optical insertion / extraction devices and / or devices fs emission / reception laser are controlled according to the position of the mobile, so that one of the onboard transponders communicates with a fixed transponder while the other transponder board performs a pointing
  • FIG. 1 shows a communication system according to the invention
  • FIG. 2 shows a rolling stock equipped with this communication system in a railway infrastructure
  • FIG. 3 represents a hybrid optical / electrical cable
  • FIG. 3bis shows a connection means between the optical / electrical hybrid cable and an optical transponder 3.
  • FIG. 4 diagrammatically represents the principle of operation of the optical transponders
  • FIG. 4bis represents the micro-positioner of the optical transponder
  • FIG. 4ter is a view in the plane A identified in FIG. 4a;
  • FIG. 5 represents an optical transponder with radio link
  • FIG. 6 represents a hybrid optical / herztian hybrid transponder
  • FIG. 7 represents an example of an optical transponder adapted to the railway application
  • Figure 7a is a view along the axis "A" identified in Figure 7;
  • FIG. 8 represents another example of an optical transponder
  • Figure 8bis is a view along the axis A identified in Figure 8.
  • FIGS. 9a, 10a and 11a show three variants of devices optical insertion / extraction
  • FIG. 12 represents an optical amplifier according to the invention.
  • FIG. 13 represents an exemplary network architecture according to the invention.
  • FIG. 14 represents an example of power supply of the communication system
  • FIG. 15 represents a wavelength tunable transmission / reception device according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 16 represents an electrically reconfigurable wavelength optoelectronic router according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 17 represents a Bragg grating optical insertion / extraction device on non-reconfigurable optical fiber according to one embodiment of the invention
  • FIG. 17a illustrates optical injection / extraction by Bragg grating
  • FIG. 18 represents a Bragg grating optical insertion / extraction device on a reconfigurable optical fiber according to one embodiment of the invention
  • FIG. 18 bis illustrates the optical insertion / extraction with a reconfigurable Bragg grating.
  • transponder is an automatic device that receives, amplifies and retransmits signals on different frequencies (or wavelengths).
  • An optical transponder is a transponder whose output and / or input is connected to an optical fiber.
  • An optical terminal designates a fixed optical transponder and its connection means to the infrastructure.
  • FIG. 1 shows a continuous bidirectional communication system 1 by atmospheric electromagnetic link between an infrastructure B and at least one mobile A moving relative to the infrastructure B.
  • One or more optical fibers 5 are arranged along the infrastructure B on which the mobile A circulates.
  • the optical fibers 5 are connected to a concentrator fixed 30 itself connected to a fixed wide-area network 300.
  • the concentrator 30 consists of wavelength selective optical routers 7 (of the reconfigurable type "WSS" for "Wavelength Selective Switch” or non-reconfigurable “WDM” for "Wavelength Device Multiplexer "), connected to a controllable optoelectronic switch 9.
  • This optoelectronic switch 9 has network ports 91 equipped with laser transmit / receive devices 95.
  • a central control unit 8 is electrically connected to the optoelectronic switch 9 and to the optical routers 7.
  • Fixed optical transponders 3 arranged along the infrastructure B are connected to the optical fibers 5 via an optical insertion / extraction device 6.
  • Each mobile A is equipped with at least two embedded optical transponders 4, connected to an on-board concentrator 40, itself connected to a network 400 internal to the mobile A.
  • the on-board concentrator 40 is similar to the fixed concentrator 30; it consists of wavelength selective optical routers 7 connected to a controllable optoelectronic switch 9 through ports 91 equipped with laser emission / reception devices 95.
  • An on-board control unit 48 is electrically connected to the optoelectronic switch 9 and optical routers 7 to enable dynamic control.
  • the on-board control units 48 of the different mobiles are slaved to the central control unit 8.
  • the infrastructure B is for example a rail infrastructure and the mobile A has rolling stock running on this infrastructure B.
  • the optical transponders 3 are fixed for example on catenary poles at a height of about 4 m.
  • the fixed optical transponders 3 are arranged for example every 100 to 400m along the railway infrastructure A.
  • the embedded optical transponders 4 are fixed in the upper structures of the rolling stock A preferably at the front and at the rear by example at a height of about 4m.
  • the optical insertion / extraction device 6 comprises a first electrical connection connected to a control unit of the transponder 310 and a second connection connected to an optical fiber 314 whose free end extends inside the transponders 3 or 4 to form a free-space optical beam 305 via a micro-positioner 304, an optical coupler 312 and a mirror 302.
  • the optical fiber 314 typically has a core diameter of 9 ⁇ and a sheath diameter of 125 ⁇ .
  • Optical transponders 3 and 4 communicate by atmospheric optical link.
  • the optical transponders 3 and 4 are advantageously each equipped with a self-pointing system for ensuring communication between the fixed transponders 3 and the onboard transponders 4 on each mobile.
  • Each optical transponder 3 and 4 is advantageously equipped with a self-pointing system 31 making it possible to establish continuous communication with a transponder opposite by slaving the orientation of the optical transponder in the direction of one of the optical transponders facing each other.
  • each onboard optical transponder 4 is equipped with a self-pointing system 31 controlling the orientation thereof in the direction of one of the fixed optical transponders 3 and each fixed optical transponder 3 is equipped with a self-pointing system 31 controlling the orientation of the latter in the direction of one of the onboard transponders 4.
  • the self-pointing system 31 is a system adapted to automatically detect the presence of optical transponders opposite the optical transponder that it equips and automatically align it with one of the optical transponders opposite, preferably the optical transponder opposite. the closest. For this purpose, the self-pointing system 31 aligns the end of the optical fiber 314 with the spot of the incident beam coming from the optical transponders opposite and adjusts the direction of the optical beam coming from the fiber in order to direct the same. here on the optical transponder opposite.
  • the self-pointing system 31 fitted to each of the transponders 3 and 4 is adapted to align the optical beam 305 issuing from the optical fiber 314 of one transponder on the end of the optical fiber 314 of the other transponder and vice versa.
  • the self-pointing system 31 comprises a wide emission angular sector optical source 318, a wide reception angular sector optical photodetector 319, a plane mirror 302 rotating about a vertical axis 303 actuated by a piezo-rotary motor 301.
  • This motor makes it possible to adjust the angle of sight of the beam 305 in the horizontal plane over a wide range (5 ° to 360 °) .
  • Another piezo-rotary motor 31 1 makes it possible to adjust the angle of sight of this same beam in the vertical plane over a smaller range.
  • the wide angle sector optical source 318 is a set of several source modules with large angular aperture (several degrees each) whose axes are oriented perpendicularly to the vertical axis 303 and forming a regular radial distribution.
  • These source modules comprise, for example, a light-emitting diode or a semiconductor laser emitting in the Infrared 1 to 2 ⁇ band, preferably with a wavelength greater than 1, 4 ⁇ to ensure the eye safety of people moving in the vicinity.
  • the optical photodetector wide angular sector 319 is a set of several photodetector modules with large angular aperture (several degrees each) whose axes are oriented perpendicularly to the vertical axis 303 and forming a regular radial distribution.
  • These photo-detector modules consist for example of 4-quadrant photodiodes of large area or of a matrix of pixels of the semiconductor type III-V, for example GalnAs.
  • optical transponders 3 and 4 The optical beam from the source 318 and received by the photodetector 319 of the optical transponder opposite allows optical transponders 3 and 4 to locate each other over a wide angular field (from 5 ° to 360 ° as required). Thus, even if the mirrors 302 of the optical transponders 3 and 4 do not exactly point to one another, it is possible to know the angular difference "large field” to return to the self-pointing situation "small field "using the motors 301 and 31 1 within each optical transponder 3 and 4.
  • the auto-pointing system 31 also comprises, around the free end of the optical fiber 314, at least three satellite optical fibers. 315 and a micro-positioning device 304.
  • the satellite optical fibers 315 form a bead of optical fibers whose end is positioned with high precision, typically to a tenth of a micron using the micropositioning device 304.
  • the optical fibers 315 are of multimode type with 100 ⁇ core and 125 ⁇ sheath to collect the maximum luminous flux, for example gathered by means of a mixer 317 and each connected to a photo-detector 308.
  • the set of photos detector 308 gives information on the small field angular deviation which allows the transponder control unit 310 to control the micro-positioner 304 so as to finely adjust the pointing of the beam 305 in each transponder 3 and 4.
  • the transponder Fixed optics 3 can further control local peripherals such as cameras, sensors or actuators placed in its immediate vicinity and connected to a network 200.
  • the end of the optical fiber bead 314 and 315 is finely positioned in the X direction or in the Y direction by means of the micro-positioning device 304 which can be piezoelectric, electrostatic or electromagnetic, according to the state of the art.
  • the piezoelectric micro-positioning device 304 is, for example, a bimetallic piezoelectric actuator consisting of two piezoelectric blades welded to one another. Fibers optics 314 and 315 are then secured to this piezoelectric actuator bimetallic.
  • the transponder control unit 310 When a voltage is applied by the transponder control unit 310 to the bimetallic piezoelectric actuator 304 in an X or Y direction, the latter deforms causing the optical fiber 314 to tilt in one direction or in the other according to the polarity of the electric voltage.
  • a control unit 310 controls the voltage applied to the bimetallic piezoelectric actuator 304 so as to control the inclination of the optical fiber 314 and thus adjust the position of the end of the optical fiber with respect to the axis of the optical fiber. mirror 302b.
  • the control unit 310 controls the electrical voltage applied to the bimetallic piezoelectric actuator 304 so as, on the one hand, to align the end of the optical fiber 314 with the spot of the incident beam resulting from the optical transponders 3 or 4 opposite and, secondly adjust the direction of the optical beam from the fiber after reflection on the rotating mirror 302b in the vertical plane to direct it to one of the optical transponders 3 or 4 opposite.
  • FIG. 7a shows several spots 313a and 313b of an optical beam coming from the optical fiber 314 of a transponder 4 on the train A on the photodetector of a fixed transponder 3 positioned along the railway infrastructure B.
  • the two spots 313b are not centered on the end of the optical fiber 314.
  • the spot 313a is centered on the end of the optical fiber 314.
  • the measurement of the signal of the optical fibers 315 thus enables the piezoelectric actuator 304 and the control unit 310 to enslave in real time the position of the end of the optical fiber 314 on the spot 313a.
  • the optical transponders 3 and 4 communicate with each other by radio link. atmospheric.
  • they are equipped with an optical-microwave converter 323 connected to the optical injection / extraction device 6 and a sectoral antenna 322 electrically connected to the optical-microwave converter 323.
  • the optical transponders 3 and 4 then comprise a radome 321 for communication using a radio-relay system formed by the sectoral antenna 322.
  • the optical-microwave converter 323 is controlled by the control unit of the transponder 310.
  • the antenna 322 is not actuated around the axis 303 because it is assumed that its angular aperture is sufficiently wide or is of electronic scanning type to communicate with the antenna 322 facing.
  • the antenna 322 is oriented with a motor in a manner similar to the movement of the optical mirror 302.
  • the detection of the angular difference can be made by the antenna 322 itself or by the optical transceiver assembly 318 and 319.
  • the optical-microwave converters 323 use high frequencies, for example, greater than 10GHz to limit the size of the antennas 322, form radio-relay systems 324 rather directional and allow high-speed communications.
  • the different channels conveyed by the optical fiber 5 in the form of a wavelength to the optical transponder 3 are advantageously transposed into a microwave channel in the radio link to be restored through the transponder 4 in the mobile A.
  • the optical-microwave converter 323 can advantageously integrate at least one wavelength tunable laser emission / reception device 95 (FIG. 15 below) controlled by the control unit 310 of the optical transponder 3 in order to be compatible with the reconfigurable optical injection / extraction devices 6.
  • the transponders 3 and 4 are optical / wireless hybrid and can communicate with each other by means of both an atmospheric radio link and an optical link.
  • the optical / microwave hybrid transponders comprise in the lower part the elements of the atmospheric optical link optical transponders described above and in the upper part the elements of the transponders with atmospheric hertzian link described above.
  • the optical injection / extraction device 6 as well as the optical fiber 5 can then be split to form two independent communication chains.
  • each mirror 302 and its coupler 312 is replaced by one and the same parabolic mirror out of 90 ° axis 302b placed on a support of revolution rotating around the vertical axis 303 and actuated by a piezo-rotary motor 301.
  • This parabolic mirror 302b is adapted to focus an optical beam 305 through the cylindrical window 306 on the input face of the optical fiber 314 and conversely direct an optical beam from this optical fiber 314 to one of the transponders optics 3 or 4 opposite.
  • a control unit 310 controls the piezo-rotary motor 301 which drives the parabolic mirror 302b so as, on the one hand, to align the latter with the incident beam coming from the optical transponders 3 or 4 opposite, and secondly to adjust the direction of the beam coming from the optical fiber after reflection on the mirror 302b in the horizontal plane in order to direct it on one of the optical transponders 3 or 4 opposite.
  • optical transponders 4 embarked on the train A are identical to the fixed transponders 3 with the difference that their height is reduced. Indeed, optical transponders 4 are integrated into the roof of rolling stock A at the front and rear (height of about 4m relative to the rail). The power consumption constraints are lower since the rolling stock A generally has a significant source of electrical energy on board.
  • the wavelength selective optical injection / extraction devices 6 operate in such a way that the data flow coming from the on-board concentrator 40 leads to at least one set of two network ports 91 of the switch network 9, the two network ports 91 operating in aggregation within the fixed concentrator 30, so as to provide a continuous bidirectional data flow between the network 300 of the infrastructure B and the network 400 of the mobile A.
  • One or more wavelengths flowing in the optical fiber 5 is advantageously dedicated to the transmission of control signals between the central control unit 8 which plays the role of master and the onboard control unit (s) 48 which acts as the slave. This is the case for example for the dynamic allocation of the wavelengths allocated to each mobile.
  • each mobile A has a subset of wavelengths included in the bandwidth of the transmitting / receiving devices 95 according to its bandwidth requirements (aggregation of channels to increase the bit rate) or in safety (redundancy links and physical isolation of different subnets).
  • the central control unit 8 is adapted to control the optical insertion / extraction devices 6a, 6c and / or the laser transmission / reception devices 95, so that one of the onboard transponders 4 communicates with a transponder fixed 3 while the other onboard transponder 4 performs the pointing operation with another fixed transponder 3.
  • the optical insertion / extraction devices 6 are optical switches 6a "1 to 2" according to the state of the art, adapted to switch between two positions. on the one hand a first position in which all the wavelengths flowing in the optical fiber 5 are fed back into the optical fiber 5 and a second position in which all the wavelengths flowing in the optical fiber 5 are fed to the optical transponder 3 via the optical fiber 314.
  • the switch 6a is switched via an electrical link with the control unit 310 of the associated optical transponder 3.
  • the system 1 comprises at least two optical fibers 5. Two consecutive optical transponders 3 are coupled to different optical fibers 5.
  • the central control unit 8 is adapted to switch via the control unit 310 associated with the optical switches 6a one after the other in the direction of movement of the mobile A, so that one of the transponders 4 embedded on the mobile A communicates with one of the fixed transponders 3 coupled to the first fiber 5 while the other transponder 4 on board the mobile A restores the pointing and communication with another fixed transponders 3 coupled to the second fiber So that at least one of the two links is always active.
  • this first embodiment there can be only one mobile A per infrastructure section corresponding to the same group of optical fibers 5 against all channels of wavelength are available for communication between the infrastructure B and mobile A.
  • this configuration is adapted to the signaling in fixed cantons (1 to 3km) which imposes the presence of a single train by canton.
  • the optical insertion / extraction devices 6b are each selective to a wavelength band of their own and not reconfigurable.
  • the laser emission / reception devices 95 are adaptable in wavelength.
  • the central control unit 8 is adapted to vary the emission / reception wavelength of the laser transmission / reception devices 95 as a function of the position of the mobile A, so that the wavelengths of transmission / reception of the laser transmission / reception devices 95 belong to the wavelength band of the optical insertion / extraction multiplexer 6b of at least one of the optical transponders 3 of the infrastructure B on which the transponders optics 4 of the mobile A are pointed.
  • the optical routers 7 are reconfigurable and adapted according to the optical insertion / extraction devices 6b used to connect the network 400 of the mobile A to the same group of network ports 91 aggregated in the optoelectronic switch 9 of FIG. so that at least one of the two links is active.
  • the optical insertion / extraction devices 6 are non-reconfigurable "OADMs" multiplexers 6b ("Optical Add-Drop Multiplexer”) which add or remove one or more lengths of wave circulating in the optical fiber 5 to the optical fiber 314 of the transponder 3, without going through an optical-electrical conversion of course.
  • each optical insertion / extraction multiplexer 6b comprises three multiplexers / demultiplexers 62 and fixed mirrors 61 which are, for example, Bragg gratings or multi-dielectric thin layers.
  • a non-reconfigurable optical insertion / extraction device 6b consists, for example, of an elongate rigid support 60 on which a main optical fiber 62 is glued with a secondary optical fiber 63 parallel and joined.
  • a Bragg grating 61 is photo-inscribed in the junction area of the optical fibers 62 and 63 so as to inject / extract for example two pairs of consecutive wavelengths of the main optical fiber 62 in the secondary optical fiber 63.
  • main optical fiber 62 is connected to an optical fiber 5a on the one hand and to an optical fiber 5b on the other hand by means of solder 64.
  • the secondary optical fiber 63 is connected to the optical fiber 314 by a solder 64.
  • This device is very compact and can be easily integrated into a type 153 cowling cassette described above. With reference to FIG. 17bis, the pitch of the Bragg grating 61 (denoted by ⁇ ) is determined to select this or that wavelength injected / extracted in the device 6b.
  • the angle of incidence of the optical signal with the normal to the Bragg grating slightly inclined with respect to the axis of the optical fiber is such that the light is no longer guided in the core of the optical fiber of the optical fiber.
  • the number of strata of the Bragg grating that is to say its length makes the coupling more or less selective, an array of 5 mm in length for example will have a bandwidth of 0.1 nm largely sufficient to isolate the different DWDM lines spaced at about 1 nm (or 100GHz).
  • the laser transmission / reception devices 95 interposed between the network ports 91 of the optoelectronic switches 9 and the optical routers 7 within a concentrator 30 or 40 are tunable in wavelength.
  • the laser emission / reception devices 95 comprise a wavelength tunable laser emission device 956 delivering a continuous optical signal to an external optoelectronic modulator 954, for example of the Mach-Zender type connected to the electrical signal TX of the network port 91. on the one hand and with the aid of an optical fiber to the optical router 7 on the other hand.
  • the optical router 7 receives the optical signal TX modulated at a wavelength electrically reconfigurable by the control unit 8.
  • the optical signal RX supplied by the optical router 7 comes from the on-board laser emission / reception devices 95 integrated in the embedded converter 40 in the mobile A which is associated with the network port 91 of the fixed switch 9, each mobile A circulating on the infrastructure B being associated with a group of network ports 91.
  • the optical router 7 is controlled by the control unit 8 to adjust the correct route of the optical signal.
  • the optical signal RX is converted by a photodetector 959 which is for example a fast GalnAs photodiode for supplying the electrical signal RX to the network ports 91 of the switch 9.
  • an optical router 7 comprises in principle a diffractive optical component 75 spatially separating all the wavelengths flowing in the optical fiber 5.
  • a set of electrically reconfigurable mirrors 73 controlled by the control unit 8 is associated with each network port 91 for routing the necessary pair of wavelengths. The same network port 91 can thus circulate any pair of wavelengths among those available.
  • These optoelectronic components are also called “wavelength selective switch” (or “Wavelength Selectable Switch” in English), they use either micro-mirror matrices controlled by electrical voltages or crystal space modulators liquid that directly diffract the incident optical signal to the different optical paths.
  • Such an optical router 7 makes it possible to assign to each of the network ports 91 the right pair of wavelengths in coherence with the operation of the transmitting / receiving devices 95 according to the instructions given by the control unit 8.
  • the mobiles A there may be several mobiles A per block, up to half the number of fixed optical transponders 3.
  • the mobiles A can cross without interrupting the communication.
  • the number of channels "m" available on board mobiles A depends on each optical insertion / extraction device 6 for communication between infrastructure B and mobile A.
  • the number of channels "m” available on board mobiles A is relatively limited, and typically equal to two or three (72 DWDM wavelengths spaced 100GHz C-band for 10-15 optical terminals per section of optical fiber 5).
  • this configuration is adapted to the signaling in mobile deformable blocks.
  • the band of wavelengths injected / extracted by the optical insertion / extraction multiplexers 6c is reconfigurable.
  • the central control unit 8 is then adapted to vary the wavelength band injected / extracted from each optical insertion / extraction multiplexer 6c as a function of the position of the mobile A, so that the lengths of The wave of the laser transmission / reception devices 95 belong to the wavelength band injected / extracted from the optical insertion / extraction multiplexer 6c of at least one of the fixed optical transponders 3 on which the onboard optical transponders 4 are pointed.
  • each optical insertion / extraction multiplexer 6c is wavelength-adaptable. These are “ROADM” multiplexers ("Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer” in English) that add or remove one or more wavelengths flowing in the optical fiber 5 to the optical fiber 314 of the transponder 3 dynamically.
  • each optical insertion / extraction multiplexer 6c comprises three multiplexers / demultiplexers 62 and a set of switches 61 which are for example adaptive pitch Bragg gratings, liquid crystal components or electrically controlled micromirrors.
  • the multiplexed signal coming from the optical fiber 314 of the transponder 3 enters a first multiplexer / demultiplexer 62 where the different wavelengths are separated spatially and then inserted or extracted using the set of switches 61 and the two other multiplexers. / demultiplexers 62 in the optical fiber 5.
  • a wavelength-adaptive optical insertion / extraction device 6c is for example similar to the non-reconfigurable optical insertion / extraction device 6b described above with the exception that the support 60 is a bimetallic bimetallic one which makes it possible to deform the Bragg gratings which are connected by the application of a voltage V.
  • the step ⁇ of the Bragg grating is increased / reduced because the bimetal extends / contracts the optical fibers 62 and 63 increasing / reducing the injected / extracted wavelength (s).
  • the electrical voltage V is controlled by the control unit 310 integrated in each optical terminal 3. It is necessary to provide at least one Bragg grating with a wavelength dedicated to the "monitoring" of the control device of the bimetallic bimetallic strip. to overcome temperature variations or other environmental parameters.
  • one or more wavelengths flowing in the optical fiber 5 is advantageously dedicated to the transmission of the control signals between the central control unit 8 and the optical insertion / extraction devices 6c.
  • the mobile A can coexist per section of optical fiber 5, up to half the number of optical terminals 13.
  • the mobile A can intersect without interruption of communication.
  • the number of "m" channels available on board mobile A depends only on the number of network ports 91 implemented in the switches 9, that is to say that it can be quite large, and typically greater than three channels. .
  • the number of mobile A that can coexist in continuous bidirectional communication with the infrastructure B is maximum and above all the number of network ports 91 to implement is minimal.
  • this configuration is adapted to the signaling in mobile deformable blocks.
  • the optical fibers 5 pass through an amplification module 55 to amplify the optical signal of the optical fiber 5 in the two directions of propagation.
  • An optical amplification module 55 comprises two wavelength multiplexers 52 for separating the optical channels TX (emitted by a laser transmission / reception device 95) on the one hand and the optical channels RX (received by a laser transmission / reception device 95) on the other hand.
  • the TX and RX optical channels each pass through an optical amplifier 51 of the "EDFA"("Erbium Doped Fiber Amplifier") type.
  • Such an amplification module 55 can advantageously be integrated in a fixed optical insertion / extraction device 6 and can be controlled respectively by the central control unit 8. It can also advantageously be integrated into a cutoff of the optical fiber 5 at the level of a switch 7 in a concentrator 30 or cut-off of the optical fiber 314 at the switch 7 in a device 40 of the mobile A.
  • the network architecture implements at least one core network 20 operating at a very high bit rate (100 to 400 Gb / s) making it possible to interconnect different sections of infrastructure B using devices secondary optical injection / extraction 12, all the concentrators 30 being connected to the same high-speed optical backbone 1 1.
  • Each secondary optical injection / extraction device 12 includes a passive multiplexing and amplification means necessary for a long optical backbone 1 1 which can double-connect all the concentrators 30 to each of the network cores 20 placed at each end of infrastructure B.
  • a power supply line 10 supplies all the elements of the infrastructure and in particular the fixed transponders 3 from a generating station 50.
  • This supply line 10 is parallel to the optical fibers 5 and integrated into the cable optical / electrical hybrid 15 to which each transponder 3 is connected.
  • the generating stations 50 are supplied with medium voltage (380 V three-phase or 230 V single-phase) by a main supply line 13 from a main generating station 56 connected to the electrical network. global 500 which also feeds the network core 20.
  • This configuration makes it possible to integrate the low-voltage power lines in the same sheath and facilitate maintenance operations in the presence of electrical voltages without danger to the personnel. In return, it is necessary to limit the distance between the secondary stations 50 especially since the power consumption of optical terminals 3 is important.
  • the optical fibers 5 and the supply lines 10 are advantageously grouped together in a sheath 154 and together form an optical / electrical hybrid cable 15.
  • the supply lines 10 are, for example, copper, then having a line resistance of about 34 ohms per kilometer and per mm 2 section.
  • a maximum consumption per optical terminal of 10W gives for example a bidirectional current of 0, 1A in the line 10 and 3.4v of voltage drop or 7% loss joule for a single line of 1 km in length with a section of 1 mm 2 .
  • a cable 15 with about six optical fibers sheath diameter 0.9mm and 10 pairs of conductors 10 sheath diameter 1, 5mm would serve a section of infrastructure of a length of 2km.
  • Such a cable 15 would have an outer diameter of 10 to 15 mm depending on whether it is intended to be included in a sleeve or to be buried in the ground. Because all its internal strands are of uniform diameter of 1 to 1.5mm, its flexibility remains satisfactory and complies with the standards of Telecom low current cables.
  • the optical fibers 5 and the power supply lines 10 connected to an optical terminal 3 are extracted from the optical / electrical hybrid cable 15 at the level of a coiling cassette 153 integrated in the optical terminal 13.
  • the coiling cassette 153 is integrated in the optical / electrical hybrid cable 15 by removing the sheath 154 of the optical / electrical hybrid cable 15 over a length of at least 500 mm without interrupting the optical fibers 5 or the power supply lines 10 for to make at least one loop 151 with all the optical fibers 5 respecting a minimum radius of curvature of 50 mm acceptable for a monomode optical fiber silica standard 9 / 125 ⁇ and a loop 152 with the supply lines 10.
  • the two power supply lines 10 are advantageously used for each optical terminal 3.
  • this technique can also be used with a single cable 15 which is stored in the coaxial cassette 153.
  • the optical amplification module 51 is advantageously integrated in the cassette 153.
  • the coil cassette 153 may also be used to interconnect two infrastructures B between each other or an infrastructure B with another type 300 wide area network using a secondary cable whose optical fibers 5 and / or Power supply 10 are connected to those of infrastructure B using loops 151 and 152 incorporating optical and / or electrical welds. Seals 155 are associated with the cables 15 to ensure the tightness of the sheaths 154 with the cassette 153.
  • the coiling cassette 153 thus constitutes a kind of "tight optical / electrical seal" which can be stored in a draft chamber buried in the traditional way or preferentially integrated into the base of each fixed optical terminal 3 placed in height thus releasing the sealing constraints (injection of neutral gas ).

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Abstract

La présente invention concerne un système de communication bidirectionnelle continue par liaison atmosphérique entre une infrastructure, et au moins un mobile en mouvement par rapport à l'infrastructure, les transpondeurs optiques (3, 4) étant équipés chacun d'un système d'auto-pointage permettant d'assurer une communication entre les transpondeurs fixes et les transpondeurs embarqués, le système étant caractérisé en ce que chaque transpondeur optique fixe est couplé à au moins une fibre optique disposée le long de l'infrastructure par l'intermédiaire d'un dispositif à insertion/extraction optique, une unité de commande centrale étant adaptée pour piloter les dispositifs à insertion/extraction optiques et/ou les dispositifs d'émission/réception laser en fonction de la position du mobile, de manière à ce que l'un des transpondeurs embarqués (4) communique avec un transpondeur fixe (3) pendant que l'autre transpondeur embarqué (4) effectue une opération de pointage avec un autre transpondeur fixe (3).

Description

SYSTEMES DE COMMUNICATION BIDIRECTIONNELLE CONTINUE
PAR LIAISON ATMOSPHERIQUE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne les systèmes de communication bidirectionnelle continue par liaison optique à plusieurs longueurs d'onde entre une infrastructure et un mobile en mouvement par rapport à cette infrastructure. L'invention concerne notamment les systèmes de communication entre un train et une infrastructure ferroviaire. Elle peut aussi concerner le cas d'un véhicule automobile roulant sur une infrastructure routière ou d'un bateau évoluant sur une voie d'eau.
ETAT DE LA TECHNIQUE
On connaît des systèmes de communication par liaison optique atmosphérique entre un réseau mobile associé à un mobile en mouvement et un réseau fixe associé à une infrastructure sur laquelle le mobile circule, dans lesquels des transpondeurs fixes sont disposés le long de l'infrastructure, tandis que les mobiles sont équipés de transpondeurs embarqués. Chaque transpondeur optique est équipé d'un dispositif d'auto-pointage sur les transpondeurs optiques en regard qui permet d'établir une communication entre un transpondeur fixe et un transpondeur embarqué.
Lors du déplacement du mobile par rapport à l'infrastructure, la communication doit être transférée d'une station fixe à une autre (ce mécanisme est appelé « handover »). Les systèmes de l'état de l'art comportent des mécanismes de handover au niveau des couches OSI 2 (couche Liaison), OSI 3 (couche réseau) et supérieures. Dans de tels systèmes, un routeur d'accès associé au réseau fixe transfert le flux de données d'une station fixe à une autre en fonction de la position du mobile. Un tel système implique une rupture physique de la communication entre le dispositif mobile et l'infrastructure lors de chaque transfert d'un transpondeur fixe à un autre. La durée du « handover » est d'autant plus élevée que le transpondeur embarqué a besoin d'un temps non négligeable pour détecter le transpondeur fixe actif et réaliser l'opération de pointage avec celui-ci. La rupture de la communication lors de chaque transfert d'un transpondeur fixe à un autre dégrade considérablement la qualité de la communication, d'autant plus que les messages de signalisation nécessaires à l'établissement de la communication entre un transpondeur fixe et un transpondeur embarqué sont souvent perdus.
Certains systèmes de l'état de l'art utilisent des mémoires tampons (buffer) pour accumuler les paquets à transmettre pendant la phase d'établissement de la connexion et les transmettre lorsqu'une connexion est établie. De tels systèmes présentent de nombreux inconvénients. Ils sont notamment vulnérables à une perte de paquets due à un dépassement de tampon ou débordement de tampon (en anglais, « buffer overflow »), qui a lieu lorsque la liaison physique n'est pas rétablie alors que la mémoire tampon a atteint sa capacité de stockage maximale. Par ailleurs, un dépassement de tampon occasionne souvent un blocage du processus et une rupture de la communication. Une augmentation de la capacité de la mémoire tampon est toujours possible mais augmente le temps de réponse (de latence) du réseau, ce qui est préjudiciable à la qualité de communication surtout des applications de type « temps réel » (téléphonie, visio-conférence, bureau à distance...).
Il existe également un risque important de perte de paquets lorsque des paquets suivent une route qui n'a pas encore été mise à jour par le routeur d'accès, et n'arrivent pas au nouveau point d'accès mais à l'ancien. Dans de tels cas, les paquets doivent alors être renvoyés par l'expéditeur entraînant une limitation du débit.
EXPOSE DE L'INVENTION L'invention propose un système de communication dans lequel le mécanisme de handover est géré au niveau des couches OSI 1 (couche physique), OSI 2 (couche liaison) et supérieures. Le handover étant géré au niveau des couches basses et donc en amont du routage des paquets, la mise à jour du routage des paquets en fonction des changements de point d'accès au réseau se fait avec anticipation et non a posteriori sans anticipation. L'invention permet de réduire considérablement le risque de perte de paquets dans le mécanisme de handover localisé dans la couche matérielle la plus basse du réseau, très en amont dans le cheminement des paquets. Ainsi, en régime de fonctionnement nominal, il n'y a pas de perte de données par dépassement de tampon, le temps de latence du réseau est minimum et le débit maximum.
L'invention permet de pallier au moins un des inconvénients précités en proposant un système de communication bidirectionnelle continue par liaison atmosphérique entre une infrastructure équipée de transpondeurs optiques fixes reliés à des dispositifs d'émission/réception laser, et au moins un mobile en mouvement par rapport à l'infrastructure et équipé d'au moins deux transpondeurs optiques embarqués reliés à des dispositifs d'émission/réception laser, les transpondeurs optiques sont équipés chacun d'un système d'auto-pointage adapté pour effectuer une opération de pointage sur un des transpondeurs optiques en regard, permettant d'assurer une communication entre les transpondeurs fixes et les transpondeurs embarqués , le système étant caractérisé en ce que chaque transpondeur optique fixe est couplé à au moins une fibre optique disposée le long de l'infrastructure par l'intermédiaire d'un dispositif à insertion/extraction optique , une unité de commande centrale étant adaptée pour piloter les dispositifs à insertion/extraction optiques et/ou les dispositifs d'émission/réception laser en fonction de la position du mobile, de manière à ce que l'un des transpondeurs embarqués communique avec un transpondeur fixe pendant que l'autre transpondeur embarqué effectue une opération de pointage avec un autre transpondeur fixe. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en l'une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :
- les dispositifs à insertion/extraction optique sont des commutateurs optiques, et en ce que deux transpondeurs optiques consécutifs sont couplés à des fibres optiques différentes, l'unité de commande centrale étant adaptée pour commuter les commutateurs optiques l'un après l'autre dans le sens de déplacement du mobile, de manière à ce que l'un des transpondeurs embarqués communique avec un transpondeur fixe pendant que l'autre transpondeur embarqué effectue l'opération de pointage avec un autre transpondeur fixe ; les dispositifs à insertion/extraction optiques sont sélectifs à une bande de longueurs d'onde qui leur est propre et fixe, les dispositifs d'émission/réception laser étant adaptables en longueur d'onde, une unité de commande centrale étant adaptée pour faire varier la longueur d'onde d'émission/réception des dispositifs d'émission/réception laser en fonction de la position du mobile, de manière à ce que les longueurs d'onde d'émission/réception des dispositifs d'émission/réception laser appartiennent à la bande de longueurs d'onde du multiplexeur à insertion/extraction optique d'au moins un des transpondeurs optiques fixes sur lesquels les transpondeurs optiques embarqués sont pointés ;
- la bande de longueurs d'onde injectée/extraite par les dispositifs à insertion/extraction optique est reconfigurable, l'unité de commande centrale étant adaptée pour faire varier la bande de longueurs d'onde injectée/extraite de chaque multiplexeur à insertion/extraction optique en fonction de la position du mobile, de manière à ce que les longueurs d'onde des dispositifs d'émission/réception laser appartiennent à la bande de longueurs d'onde injectée/extraite du multiplexeur à insertion/extraction optique d'au moins un des transpondeurs optiques fixes sur lesquels les transpondeurs optiques embarqués sont pointés ; chaque fibre optique est connectée à un routeur optique sélectif en longueur d'onde dont les sorties sont connectées à un commutateur réseau fixe, le routeur optique sélectif en longueur d'onde et/ou le commutateur réseau fixe étant commandés par l'unité de commande centrale de manière à ce que le flux de données issu des dispositifs d'émission/réception laser embarqués aboutisse à au moins un ensemble de deux ports réseau du commutateur réseau, les deux ports réseau fonctionnant en agrégation au sein du commutateur réseau ; le système de communication comporte plusieurs commutateurs réseau fixes répartis le long de l'infrastructure, un des ports réseau de chaque commutateur réseau fixe étant relié à un port réseau des deux commutateurs réseau fixes adjacents de manière à assurer la continuité de la communication entre les commutateurs réseau fixes ; une ou plusieurs longueurs d'onde des dispositifs d'émission/réception laser est dédiée à la transmission des signaux de pilotage entre l'unité de commande centrale et le dispositif d'émission/réception, et/ou les dispositifs à insertion/extraction optiques ; les transpondeurs optiques sont équipés d'un système de micropositionnement de l'extrémité de la fibre optique pour établir une liaison optique « fibre à fibre » auto-pointée en espace libre entre les transpondeurs ; les transpondeurs optiques sont équipés d'un convertisseur optique- hyperfréquence et d'une antenne sectorielle pour établir une liaison hertzienne en espace libre entre les transpondeurs optiques ; - les dispositifs à insertion/extraction optiques sont constitués d'une fibre optique principale et d'une fibre optique secondaire accolée à la fibre optique principale sur une zone de jonction, un ou plusieurs réseaux de Bragg étant inscrits dans la zone de jonction des fibres optiques principales et secondaires de manière à ce que certaines longueurs d'onde soit extraites de la fibre optique principale vers la fibre optique secondaire ou insérée de la fibre optique secondaire vers la fibre optique principale ; - les fibres optiques principales et secondaires sont solidaires d'un bilame piézo-électrique de manière à ce que l'application d'une tension électrique aux bornes du bilame piézo-électrique entraine une déformation du ou des réseaux de Bragg inscrits dans la zone de jonction des fibres optiques principales et secondaires ;
- les dispositifs d'émission/réception laser adaptables en longueur d'onde comportent un dispositif d'émission/réception laser à longueur d'onde accordable et un modulateur externe électro-optique. L'invention propose également un procédé de communication bidirectionnelle continue par liaison atmosphérique entre une infrastructure équipée de transpondeurs optiques fixes reliés à des dispositifs d'émission/réception laser, et au moins un mobile en mouvement par rapport à l'infrastructure et équipé d'au moins deux transpondeurs optiques embarqués reliés à des dispositifs d'émission/réception laser, les transpondeurs optiques sont équipés chacun d'un système d'auto-pointage adapté pour effectuer une opération de pointage sur un des transpondeurs optiques en regard, de manière à assurer une communication entre les transpondeurs fixes et les transpondeurs embarqués, chaque transpondeur optique fixe étant couplé à au moins une fibre optique disposée le long de l'infrastructure par l'intermédiaire d'un dispositif à insertion/extraction optique, le procédé étant caractérisé en ce que les dispositifs à insertion/extraction optiques et/ou des dispositifs d'émission/réception laser sont pilotés en fonction de la position du mobile, de manière à ce que l'un des transpondeurs embarqués communique avec un transpondeur fixe pendant que l'autre transpondeur embarqué effectue une opération de pointage avec un autre transpondeur fixe.
DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres objectifs, caractéristiques et avantages sortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins donnés à titre illustratif et non limitatif parmi lesquels :
- la figure 1 représente un système de communication conforme à l'invention ;
- la figure 1 bis représente un concentrateur embarqué ;
- la figure 2 représente un matériel roulant équipé de ce système de communication dans une infrastructure ferroviaire ;
- la figure 3 représente un câble hybride optique/électrique ;
- la figure 3bis représente un moyen de raccordement entre le câble hybride optique/électrique et un transpondeur optique 3.
- la figure 4 représente schématiquement le principe de fonctionnement des transpondeurs optiques ;
- la figure 4bis représente le micro-positionneur du transpondeur optique;
- la figure 4ter est une vue dans le plan A identifié sur la figure 4bis ;
- la figure 5 représente un transpondeur optique à liaison hertzienne ;
- la figure 6 représente un transpondeur à liaison hybride optique/herztienne ;
- la figure 7 représente un exemple de transpondeur optique adapté à l'application ferroviaire ;
- la figure 7 bis est une vue selon l'axe « A » identifié sur la figure 7 ;
- la figure 8 représente un autre exemple de transpondeur optique;
- la figure 8bis est une vue selon l'axe A identifié sur la figure 8;
- les figures 9, 10 et 1 1 représentent trois variantes de système conforme à l'invention ;
- les figures 9bis, 10bis et 1 1 bis représentent trois variantes de dispositifs d'insertion/extraction optique ;
- la figure 12 représente un amplificateur optique conforme à l'invention ;
- la figure 13 représente un exemple d'architecture réseau conforme à l'invention ;
- la figure 14 représente un exemple d'alimentation électrique du système de communication ;
- la figure 15 représente un dispositif d'émission/réception accordable en longueur d'onde conforme à un mode de réalisation l'invention ;
- la figure 16 représente un routeur optoélectronique reconfigurable électriquement en longueur d'onde conforme à un mode de réalisation l'invention ;
- la figure 17 représente un dispositif d'insertion/extraction optique à réseau de Bragg sur fibre optique non reconfigurable conforme à un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 17 bis illustre l'injection/extraction optique par réseau de Bragg ;
- la figure 18 représente un dispositif d'insertion/extraction optique à réseau de Bragg sur fibre optique reconfigurable conforme à un mode de réalisation l'invention ;
- la figure 18 bis illustre l'insertion/extraction optique à réseau de Bragg reconfigurable.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Dans la suite du texte, on désigne par transpondeur un appareil automatique qui reçoit, amplifie et retransmet des signaux sur des fréquences (ou longueurs d'onde) différentes. On désigne par transpondeur optique, un transpondeur dont la sortie et/ou l'entrée est connectée à une fibre optique. On désigne par borne optique, un transpondeur optique fixe et son moyen de raccordement à l'infrastructure.
Sur la figure 1 , on a représenté un système de communication 1 bidirectionnelle continue par liaison électromagnétique atmosphérique entre une infrastructure B et au moins un mobile A en mouvement par rapport à l'infrastructure B. Une ou plusieurs fibres optiques 5 sont disposées le long de l'infrastructure B sur laquelle circule le mobile A. Les fibres optiques 5 sont connectées à un concentrateur fixe 30 lui-même connecté à un réseau étendu fixe 300. Le concentrateur 30 est constitué de routeurs optiques 7 sélectifs en longueurs d'onde (de type reconfigurable « WSS » pour « Wavelength Sélective Switch » ou non reconfigurable « WDM » pour « Wavelength Device Multiplexer »), reliés à un commutateur optoélectronique administrable 9. Ce commutateur optoélectronique 9 comporte des ports réseau 91 équipés de dispositifs d'émission/réception laser 95. Une unité de commande centrale 8 est connectée électriquement au commutateur optoélectronique 9 et aux routeurs optiques 7. Des transpondeurs optiques fixes 3 disposés le long de l'infrastructure B sont connectés aux fibres optiques 5 par l'intermédiaire d'un dispositif d'insertion/extraction optique 6.
Chaque mobile A est équipé d'au moins deux transpondeurs optiques embarqués 4, reliés à un concentrateur embarqué 40, lui-même relié à un réseau 400 interne au mobile A. En référence à la figure 1 bis, le concentrateur embarqué 40 est similaire au concentrateur fixe 30 ; il est constitué de routeurs optiques 7 sélectifs en longueurs d'onde, reliés à un commutateur optoélectronique administrable 9 au travers de ports 91 équipés de dispositifs d'émission/réception laser 95. Une unité de commande embarquée 48 est connectée électriquement au commutateur optoélectronique 9 et aux routeurs optiques 7 pour en permettre le pilotage dynamique. Les unités de commande embarquées 48 des différents mobiles sont asservies à l'unité de commande centrale 8.
En référence à la figure 2, l'infrastructure B est par exemple une infrastructure ferroviaire et le mobile A un matériel roulant circulant sur cette infrastructure B. Les transpondeurs optiques 3 sont fixés par exemple sur des poteaux caténaires à une hauteur d'environ 4m. Les transpondeurs optiques fixes 3 sont disposés par exemple tous les 100 à 400m le long de l'infrastructure ferroviaire A. Les transpondeurs optiques embarqués 4 sont fixés dans les structures supérieures du matériel roulant A de préférence à l'avant et à l'arrière par exemple à une hauteur d'environ 4m. A cet effet et en référence à la figure 4, le dispositif d'insertion/extraction optique 6 comporte une première connexion électrique reliée à une unité de commande du transpondeur 310 et une seconde connexion reliée à une fibre optique 314 dont l'extrémité libre s'étend à l'intérieur des transpondeurs 3 ou 4 pour former un faisceau optique en espace libre 305 via un micro-positionneur 304, un coupleur optique 312 et un miroir 302. La fibre optique 314 a typiquement un diamètre de cœur de 9μηη et un diamètre de gaine de 125μηη.
Les transpondeurs optiques 3 et 4 communiquent par liaison optique atmosphérique.
Les transpondeurs optiques 3 et 4 sont avantageusement équipés chacun d'un système d'auto-pointage permettant d'assurer une communication entre les transpondeurs fixes 3 et les transpondeurs embarqués 4 sur chaque mobile. Chaque transpondeur optique 3 et 4 est avantageusement équipé d'un système d'auto- pointage 31 permettant d'établir une communication continue avec un transpondeur en regard en asservissant l'orientation du transpondeur optique dans la direction d'un des transpondeurs optiques en regard, à savoir, chaque transpondeur optique embarqué 4 est équipé d'un système d'auto-pointage 31 asservissant l'orientation de celui-ci dans la direction d'un des transpondeurs optiques fixes 3 et chaque transpondeur optique fixe 3 est équipé d'un système d'auto-pointage 31 asservissant l'orientation de celui-ci dans la direction d'un des transpondeurs embarqué 4.
Le système d'auto-pointage 31 est un système adapté pour détecter automatiquement la présence de transpondeurs optiques en regard du transpondeur optique qu'il équipe et aligner automatiquement celui-ci sur un des transpondeurs optiques en regard, de préférence le transpondeur optique en regard le plus proche. A cet effet, le système d'auto-pointage 31 aligne l'extrémité de la fibre optique 314 avec le spot du faisceau incident issu des transpondeurs optiques en regard et, ajuste la direction du faisceau optique issu de la fibre afin de diriger celui-ci sur le transpondeur optique en regard. Le système d'auto-pointage 31 équipant chacun des transpondeurs 3 et 4 est adapté pour aligner le faisceau optique 305 issu de la fibre optique 314 d'un transpondeur sur l'extrémité de la fibre optique 314 de l'autre transpondeur et réciproquement de manière à assurer une liaison optique atmosphérique bidirectionnelle et continue entre les deux systèmes A et B. Le système d'auto- pointage 31 comporte une source optique à secteur angulaire d'émission large 318, un photodétecteur optique à secteur angulaire de réception large 319, un miroir plan 302 tournant autour d'un axe vertical 303 actionné par un moteur piezo-rotatif 301. Ce moteur permet d'ajuster l'angle de visée du faisceau 305 dans le plan horizontal sur une large plage (5° à 360°). Un autre moteur piezo-rotatif 31 1 permet d'ajuster l'angle de visée de ce même faisceau dans le plan vertical sur une plage plus réduite.
La source optique à secteur angulaire large 318 est un ensemble de plusieurs modules sources à grande ouverture angulaire (plusieurs degrés chacun) dont les axes sont orientés perpendiculairement à l'axe vertical 303 et formant une distribution radiale régulière. Ces modules sources comportent par exemple une diode électroluminescente ou un laser semi-conducteur émettant dans la bande Infrarouge 1 à 2μηη, préférentiellement avec une longueur d'onde supérieure à 1 ,4μηη pour assurer la sécurité oculaire des personnes évoluant à proximité.
Le photo-détecteur optique à secteur angulaire large 319 est un ensemble de plusieurs modules photo-détecteurs à grande ouverture angulaire (plusieurs degrés chacun) dont les axes sont orientés perpendiculairement à l'axe vertical 303 et formant une distribution radiale régulière. Ces modules photo-détecteurs sont constitués par exemple de photodiodes à 4 quadrants de grande surface ou d'une matrice de pixels du type semiconducteur lll-V, par exemple du GalnAs.
Le faisceau optique issu de la source 318 et reçu par le photo-détecteur 319 du transpondeur optique en regard permet aux transpondeurs optiques 3 et 4 de se localiser mutuellement sur un large champ angulaire (de 5° à 360° selon les besoins). Ainsi, même si les miroirs 302 des transpondeurs optiques 3 et 4 ne pointent pas exactement l'un sur l'autre, il est possible de connaître l'écart angulaire « grand champ » pour revenir à la situation d'auto-pointage « petit champ » à l'aide des moteurs 301 et 31 1 au sein de chaque transpondeur optique 3 et 4.
En référence à la figure 4bis, pour ajuster plus finement le pointage entre les transpondeurs 3 et 4, le système d'auto-pointage 31 comporte en outre, autour de l'extrémité libre de la fibre optique 314, au moins trois fibres optiques satellites 315 et un dispositif de micro-positionnement 304. Les fibres optiques satellites 315 forment un cordon de fibres optiques dont l'extrémité est positionnée avec une grande précision, typiquement au dixième de micron à l'aide du dispositif de micropositionnement 304.
Les fibres optiques 315 sont de type multimode à cœur de 100μηη et gaine de 125μηη pour collecter le maximum de flux lumineux par exemple rassemblées à l'aide d'un mélangeur 317 et raccordées chacune à un photo-détecteur 308. L'ensemble des photo-détecteurs 308 donne une information sur l'écart angulaire petit champ qui permet à l'unité de commande du transpondeur 310 de piloter le micro-positionneur 304 de façon à ajuster finement le pointage du faisceau 305 dans chaque transpondeur 3 et 4. Le transpondeur optique fixe 3 peut en outre piloter des périphériques locaux comme des caméras, capteurs ou actuateurs placés à sa proximité immédiate et raccordés sur un réseau 200.
En référence à la figure 4ter, l'extrémité du cordon de fibres optiques 314 et 315 est positionné finement dans la direction X ou dans la direction Y à l'aide du dispositif de micro-positionnement 304 qui peut être piézoélectrique, électrostatique ou électromagnétique, conformément à l'état de l'art.
En référence aux figures 7 et 7bis et 8 et 8bis, le dispositif de micro- positionnement piézoélectrique 304 est par exemple un actuateur piézo-électrique bilame constitué de deux lames piézoélectriques soudées l'une sur l'autre. Les fibres optiques 314 et 315 sont alors solidaires de cet actuateur piézo-électrique bilame. Lorsqu'une tension électrique est appliquée par l'unité de commande du transpondeur 310 à l'actuateur piézo-électrique bilame 304 dans une direction X ou Y, celui-ci se déforme entraînant l'inclinaison de la fibre optique 314 dans un sens ou dans l'autre selon la polarité de la tension électrique. Une unité de contrôle 310 commande la tension appliquée à l'actuateur piézo-électrique bilame 304 de manière à contrôler l'inclinaison de la fibre optique 314 et ainsi ajuster la position de l'extrémité de la fibre optique par rapport à l'axe du miroir 302b. L'unité de contrôle 310 commande la tension électrique appliquée à l'actuateur piézo-électrique bilame 304 de manière à, d'une part aligner l'extrémité de la fibre optique 314 avec le spot du faisceau incident issu des transpondeurs optiques 3 ou 4 en regard et, d'autre part ajuster la direction du faisceau optique issu de la fibre après réflexion sur le miroir tournant 302b dans le plan vertical afin de diriger celui-ci sur un des transpondeurs optiques 3 ou 4 en regard.
Sur la figure 7bis on a représenté plusieurs spots 313a et 313b d'un faisceau optique issu de la fibre optique 314 d'un transpondeur 4 embarqué sur le train A sur le photo-détecteur d'un transpondeur fixe 3 positionné le long de l'infrastructure ferroviaire B. Lorsque les deux transpondeurs 3 et 4 en communication ne sont pas en situation de pointage, les deux spots 313b ne sont pas centrés sur l'extrémité de la fibre optique 314. Lorsque les deux transpondeurs 3 et 4 sont en situation de pointage et en communication, le spot 313a est centré sur l'extrémité de la fibre optique 314. La mesure du signal des fibres optiques 315 permet ainsi à l'actuateur piézo-électrique 304 et à l'unité de commande 310 d'asservir en temps réel la position de l'extrémité de la fibre optique 314 sur le spot 313a. Sur la figure 8bis, on a représenté plusieurs spots 313a et 313b d'un faisceau optique issu de la fibre optique 314 d'un transpondeur optique fixe 3 positionné le long de l'infrastructure ferroviaire sur le photodétecteur d'un transpondeur optique 4 embarqué sur le train A. Selon une variante de réalisation et en référence à la figure 5, les transpondeurs optiques 3 et 4 communiquent entre eux par liaison hertzienne atmosphérique. A cet effet, ils sont équipés d'un convertisseur optique- hyperfréquence 323 connecté au dispositif d'injection/extraction optique 6 et d'une antenne sectorielle 322 connectée électriquement au convertisseur optique- hyperfréquence 323. Les transpondeurs optiques 3 et 4 comportent alors un radome 321 permettant la communication à l'aide d'un faisceau hertzien formé par l'antenne sectorielle 322. Le convertisseur optique-hyperfréquence 323 est piloté par l'unité de commande du transpondeur310. L'antenne 322 n'est pas actionnée autour de l'axe 303 car on suppose que son ouverture angulaire est suffisamment large ou qu'elle est de type à balayage électronique pour communiquer avec l'antenne 322 en regard. Dans une variante de réalisation, l'antenne 322 est orientée avec un moteur de façon similaire au mouvement du miroir optique 302. Dans ce cas, la détection de l'écart angulaire peut être faite par l'antenne 322 elle-même ou par l'ensemble émetteur- récepteur optique 318 et 319. Les convertisseurs optique-hyperfréquence 323 utilisent des fréquences élevées, par exemple supérieures à 10GHz pour limiter la taille des antennes 322, former des faisceaux hertziens 324 assez directifs et autoriser des communications à haut débit. Les différents canaux acheminés par la fibre optique 5 sous forme de longueur d'onde jusqu'au transpondeur optique 3 sont avantageusement transposés en canal hyperfréquence dans la liaison hertzienne pour être restitués au travers du transpondeur 4 dans le mobile A.
Le convertisseur optique-hyperfréquence 323 peut intégrer avantageusement au moins un dispositif d'émission/réception laser accordable en longueur d'onde 95 (figure 15 ci-après) commandé par l'unité de commande 310 du transpondeur optique 3 afin d'être compatible avec les dispositifs d'injection/extraction optique 6 reconfigurables.
Selon une autre variante de réalisation et en référence à la figure 6, les transpondeurs 3 et 4 sont hybrides optique/hertzien et peuvent communiquer entre eux à la fois par liaison hertzienne atmosphérique et par liaison optique atmosphérique. A cet effet, les transpondeurs hybrides optique/hertzien comportent en partie basse les éléments des transpondeurs optiques à liaison optique atmosphérique décrits ci-avant et en partie haute les éléments des transpondeurs à liaison hertzienne atmosphérique décrits ci-avant. Le dispositif d'injection/extraction optique 6 ainsi que la fibre optique 5 peuvent être alors dédoublés pour constituer deux chaînes de communication indépendantes.
En référence aux figures 7 et 8, chaque miroir 302 et son coupleur 312 est remplacé par un seul et même miroir parabolique hors d'axe à 90° 302b placé sur un support de révolution tournant autour de l'axe vertical 303 et actionné par un moteur piezo-rotatif 301. Ce miroir parabolique 302b est adapté pour focaliser un faisceau optique 305 traversant le hublot cylindrique 306 sur la face d'entrée de la fibre optique 314 et inversement diriger un faisceau optique issu de cette fibre optique 314 vers un des transpondeurs optiques 3 ou 4 en regard. Une unité de contrôle 310 commande le moteur piezo-rotatif 301 qui entraîne le miroir parabolique 302b de manière à, d'une part aligner celui-ci avec le faisceau incident issu des transpondeurs optique 3 ou 4 en regard, et d'autre part ajuster la direction du faisceau issu de la fibre optique après réflexion sur le miroir 302b dans le plan horizontal afin de diriger celui-ci sur un des transpondeurs optiques 3 ou 4 en regard.
En référence à la figure 8, les transpondeurs optiques 4 embarqués sur le train A sont identiques aux transpondeurs 3 fixes à la différence que leur hauteur est réduite. En effet, les transpondeurs optiques 4 sont intégrés en toiture du matériel roulant A à l'avant et à l'arrière (hauteur d'environ 4m par rapport au rail). Les contraintes de consommation électrique sont moindre puisque le matériel roulant A dispose généralement d'une source d'énergie électrique importante à bord.
En référence à la figure 1 , les dispositifs d'injection/extraction optique 6 sélectifs en longueur d'onde fonctionnent de manière à ce que le flux de données issu du concentrateur 40 embarqué aboutisse à au moins un ensemble de deux ports réseau 91 du commutateur réseau 9, les deux ports réseau 91 fonctionnant en agrégation au sein du concentrateur fixe 30, de manière à fournir un flux bidirectionnel continu de données entre le réseau 300 de l'infrastructure B et le réseau 400 du mobile A. Une ou plusieurs longueurs d'onde circulant dans la fibre optique 5 est avantageusement dédiée à la transmission des signaux de pilotage entre l'unité de commande centrale 8 qui joue le rôle de maître et l(es) unité(s) de commande embarquée(s) 48 qui joue(nt) le rôle d'esclave. C'est le cas par exemple pour l'allocation dynamique des longueurs d'onde attribuées à chaque mobile.
Ainsi, chaque mobile A dispose d'un sous-ensemble de longueurs d'onde inclus dans la bande passante des dispositifs d'émission/réception 95 selon ses besoins en bande passante (agrégation de canaux pour augmenter le débit) ou en sécurité (redondance des liens et isolation physique de différents sous-réseaux).
L'unité de commande centrale 8 est adaptée pour piloter les dispositifs à insertion/extraction optiques 6a, 6c et/ou les dispositifs d'émission/réception laser 95, de manière à ce que l'un des transpondeurs embarqués 4 communique avec un transpondeur fixe 3 pendant que l'autre transpondeur embarqué 4 effectue l'opération de pointage avec un autre transpondeur fixe 3.
Selon un premier mode de réalisation, et en référence aux figures 9 et 9bis, les dispositifs à insertion/extraction optique 6 sont des commutateurs optiques 6a « 1 vers 2 » conforme à l'état de l'art, adaptés pour basculer entre deux positions, d'une part une première position dans laquelle la totalité des longueurs d'onde circulant dans la fibre optique 5 est réinjectée dans la fibre optique 5 et une seconde position dans laquelle la totalité des longueurs d'onde circulant dans la fibre optique 5 est acheminée dans le transpondeur optique 3 via la fibre optique 314. Le basculement du commutateur 6a est réalisé via un lien électrique avec l'unité de commande 310 du transpondeur optique 3 associé. Dans ce mode de réalisation, le système 1 comporte au moins deux fibres optiques 5. Deux transpondeurs optiques 3 consécutifs sont couplés à des fibres optiques différentes 5.
L'unité de commande centrale 8 est adaptée pour basculer via l'unité de commande 310 associée les commutateurs optiques 6a l'un après l'autre dans le sens de déplacement du mobile A, de manière à ce que l'un des transpondeurs 4 embarqués sur le mobile A communique avec l'un des transpondeurs 3 fixes couplés à la première fibre 5 pendant que l'autre transpondeur 4 embarqué sur le mobile A rétablit le pointage et la communication avec un autre des transpondeurs 3 fixes couplés à la deuxième fibre 5 de sorte qu'au moins l'une des deux liaisons soit toujours active.
Dans ce premier mode de réalisation, il ne peut y avoir qu'un seul mobile A par tronçon d'infrastructure correspondant à un même groupe de fibres optiques 5 par contre tous les canaux de longueur d'onde sont disponibles pour la communication entre l'infrastructure B et le mobile A. Par exemple, on dispose ainsi de 72 (144) canaux optiques en bande C DWDM à espacement 100 GHz (50GHz) soit 36 (72) sous-réseaux « informatiques » utilisant une paire de longueurs d'onde. Dans le cas de l'application « ferroviaire », cette configuration est adaptée à la signalisation en cantons fixes (1 à 3km) qui impose la présence d'un seul train par canton.
Selon un second mode de réalisation, et en référence aux figures 10 et 10 bis, les dispositifs à insertion/extraction optique 6b sont chacun sélectifs à une bande de longueur d'onde qui leur est propre et non reconfigurable. Les dispositifs d'émission/réception laser 95 sont adaptables en longueur d'onde. L'unité de commande centrale 8 est adaptée pour faire varier la longueur d'onde d'émission/réception des dispositifs d'émission/réception laser 95 en fonction de la position du mobile A, de manière à ce que les longueurs d'onde d'émission/réception des dispositifs d'émission/réception laser 95 appartiennent à la bande de longueurs d'onde du multiplexeur à insertion/extraction optique 6b d'au moins un des transpondeurs optiques 3 de l'infrastructure B sur lesquels les transpondeurs optiques 4 du mobile A sont pointés. Dans ce second mode de réalisation, les routeurs optiques 7 sont reconfigurables et adaptés selon les dispositifs d'insertion/extraction optique 6b utilisés pour connecter le réseau 400 du mobile A à un même groupe de ports réseau 91 en agrégation dans le commutateur optoélectronique 9 de sorte qu'au moins l'une des deux liaisons soit active.
Dans ce second mode de réalisation, et en référence à la figure 10 bis, les dispositifs à insertion/extraction optiques 6 sont des multiplexeurs « OADMs » non reconfigurables 6b (« Optical Add-Drop Multiplexeur ») qui ajoutent ou enlèvent une ou plusieurs longueurs d'onde circulant dans la fibre optique 5 vers la fibre optique 314 du transpondeur 3, et ce sans passer par une conversion optique-électrique bien entendu. Dans son principe, chaque multiplexeur à insertion/extraction optique 6b comporte trois multiplexeurs/démultiplexeurs 62 et des miroirs fixes 61 qui sont par exemple des réseaux de Bragg ou des couches minces multi-diélectriques. Le signal multiplexé issu de la fibre optique 314 du transpondeur 3 entre dans un premier multiplexeur/démultiplexeur 62 où les différentes longueurs d'onde sont séparées spatialement puis insérées ou extraites à l'aide des miroirs fixes 61 et des deux autres multiplexeurs/démultiplexeurs 62 dans la fibre optique 5. En référence à la figure 17, un dispositif d'insertion/extraction optique non reconfigurable 6b est par exemple constitué par un support rigide de forme allongée 60 sur lequel est collée une fibre optique principale 62 avec une fibre optique secondaire 63 parallèle et jointive. Un réseau de Bragg 61 est photo-inscrit dans la zone de jonction des fibres optiques 62 et 63 de manière à injecter/extraire par exemple deux paires de longueurs d'onde consécutives de la fibre optique principale 62 dans la fibre optique secondaire 63. La fibre optique principale 62 est reliée à une fibre optique 5a d'une part et à une fibre optique 5b d'autre part à l'aide de soudure 64. La fibre optique secondaire 63 est reliée à la fibre optique 314 par une soudure 64. Ce dispositif est très compact et peut être intégré aisément dans une cassette de lovage du type 153 décrite plus haut. En référence à la figure 17bis, le pas du réseau de Bragg 61 (noté Λ) est déterminé pour sélectionner telle ou telle longueur d'onde injectée/extraite dans le dispositif 6b. Pour cela, l'angle d'incidence a du signal optique avec la normale au réseau de Bragg légèrement incliné par rapport à l'axe de la fibre optique est tel que la lumière n'est plus guidée dans le cœur de la fibre optique d'indice « n » et passe d'une fibre optique 62 à l'autre 63. Seule la lumière de longueur d'onde λ qui vérifie la relation de Bragg Λ = À/2n.sina est ainsi sélectionnée. L'indice de réfraction étant de l'ordre de 1 ,5 dans une fibre optique en silice et l'angle d'incidence a très proche de 90°, on peut considérer que le pas du réseau Λ est de l'ordre de λ/3 soit 0,5μηη en bande C (1520nm à 1577nm). Le nombre de strates du réseau de Bragg, c'est-à-dire sa longueur rend plus ou moins sélectif le couplage, un réseau de 5mm de longueur par exemple aura une largeur de bande de 0,1 nm largement suffisante pour isoler les différentes raies DWDM espacées de 1 nm environ (ou 100GHz). Pour sélectionner plusieurs longueurs d'onde, il suffit de placer à la suite les différents réseaux de pas correspondant ou de faire une certaine modulation du pas du réseau 61 placé dans la zone commune des fibres optiques 62 et 63.
Dans ce second mode de réalisation, et en référence à la figure 15, les dispositifs d'émission/réception laser 95 intercalés entre les ports réseau 91 des commutateurs optoélectroniques 9 et les routeurs optiques 7 au sein d'un concentrateur 30 ou 40 sont accordables en longueur d'onde. Les dispositifs d'émission/réception laser 95 comportent un dispositif d'émission laser accordable en longueur d'onde 956 délivrant un signal optique continu à un modulateur optoélectronique externe 954 par exemple de type Mach-Zender relié au signal électrique TX du port réseau 91 d'une part et à l'aide d'une fibre optique au routeur optique 7 d'autre part. Le routeur optique 7 reçoit le signal optique TX modulé à une longueur d'onde reconfigurable électriquement par l'unité de commande 8. Le signal optique RX fourni par le routeur optique 7 provient des dispositifs d'émission/réception laser embarqués 95 intégrés dans le convertisseur embarqué 40 dans le mobile A qui est associé au port réseau 91 du commutateur fixe 9, chaque mobile A en circulation sur l'infrastructure B étant associé à un groupe de ports réseau 91. Dans ce cas, le routeur optique 7 est piloté par l'unité de commande 8 pour ajuster la bonne route du signal optique. Le signal optique RX est converti par un photodétecteur 959 qui est par exemple une photodiode rapide en GalnAs pour fournir le signal électrique RX aux ports réseau 91 du commutateur 9.
En référence à la figure 16, un routeur optique 7 comprend dans son principe un composant optique diffractif 75 séparant spatialement toutes les longueurs d'onde circulant dans la fibre optique 5. Un ensemble de miroirs reconfigurables électriquement 73 pilotés par l'unité de commande 8 est associé à chaque port réseau 91 pour y aiguiller la paire de longueurs d'onde nécessaire. Un même port réseau 91 peut ainsi faire circuler n'importe quelle paire de longueurs d'onde parmi celles disponibles. Ces composants optoélectroniques sont également appelés « Switch sélectifs en longueur d'onde » (ou « WSS » pour « Wavelength Selectable Switch » en anglais), ils utilisent soit des matrices de micro-miroirs commandés par des tensions électriques soit des modulateurs spatiaux à cristal liquide qui diffractent directement le signal optique incident vers les différents voies optiques. Un tel routeur optique 7 permet d'affecter à chacun des ports réseau 91 la bonne paire de longueurs d'onde en cohérence avec le fonctionnement des dispositifs d'émission/réception 95 selon les instructions données par l'unité de commande 8.
Dans ce second mode de réalisation, il peut y avoir plusieurs mobiles A par canton, jusqu'à la moitié du nombre de transpondeurs optiques fixes 3. Les mobiles A peuvent se croiser sans coupure de la communication. Le nombre de canaux « m » disponible à bord des mobiles A dépend de chaque dispositif d'insertion/extraction optique 6 pour la communication entre l'infrastructure B et le mobile A. Concrètement le nombre de canaux « m » disponible à bord des mobiles A est relativement limité, et typiquement égale à deux ou trois (72 longueurs d'onde DWDM espacés de 100GHz en bande C pour 10 à 15 bornes optiques par tronçon de fibre optique 5). Dans le cas de l'application « ferroviaire », cette configuration est adaptée à la signalisation en cantons mobiles déformables. Selon un troisième mode de réalisation, et en référence aux figures 1 1 et 1 1 bis, la bande de longueurs d'onde injectée/extraite par les multiplexeurs à insertion/extraction optique 6c est reconfigurable. L'unité de commande centrale 8 est alors adaptée pour faire varier la bande de longueurs d'onde injectée/extraite de chaque multiplexeur à insertion/extraction optique 6c en fonction de la position du mobile A, de manière à ce que les longueurs d'onde des dispositifs d'émission/réception laser 95 appartiennent à la bande de longueurs d'onde injectée/extraite du multiplexeur à insertion/extraction optique 6c d'au moins un des transpondeurs optiques 3 fixes sur lesquels les transpondeurs optiques 4 embarqués sont pointés.
Dans ce troisième mode de réalisation, et en référence à la figure 1 1 bis, les dispositifs à insertion/extraction optique 6c sont adaptables en longueur d'onde. Ce sont des multiplexeurs « ROADM » (« Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexeur » en anglais) qui ajoutent ou enlèvent une ou plusieurs longueurs d'onde circulant dans la fibre optique 5 vers la fibre optique 314 du transpondeur 3 de manière dynamique. Dans son principe, chaque multiplexeur à insertion/extraction optique 6c comporte trois multiplexeurs/démultiplexeurs 62 et un ensemble de commutateurs 61 qui sont par exemple des réseaux de Bragg à pas adaptable, des composants à cristal liquide ou des micro-miroirs électriquement commandés. Le signal multiplexé issu de la fibre optique 314 du transpondeur 3 entre dans un premier multiplexeur/démultiplexeur 62 où les différentes longueurs d'onde sont séparées spatialement puis insérées ou extraites à l'aide de l'ensemble de commutateurs 61 et des deux autres multiplexeurs/démultiplexeurs 62 dans la fibre optique 5.
En référence à la figure 18 et 18bis, un dispositif d'insertion/extraction optique adaptable en longueur d'onde 6c est par exemple similaire au dispositif d'insertion/extraction optique non reconfigurable 6b décrit plus haut à la différence que le support 60 est un bilame piézo-électrique qui permet de déformer le ou les réseaux de Bragg qui en sont solidaires par l'application d'une tension électrique V. Pour une tension électrique positive/négative, le pas Λ du réseau de Bragg est augmenté/réduit car le bilame allonge/contracte les fibres optiques 62 et 63 augmentant/réduisant la ou les longueurs d'onde injectées/extraites. La tension électrique V est pilotée par l'unité de commande 310 intégrée dans chaque borne optique 3. Il est nécessaire de prévoir au moins un réseau de Bragg avec une longueur d'onde dédiée au « monitoring » du dispositif de commande du bilame piézo-électrique pour s'affranchir des variations de température ou d'autres paramètres d'environnement.
Dans ce troisième mode de réalisation, une ou plusieurs longueurs d'onde circulant dans la fibre optique 5 est avantageusement dédiée à la transmission des signaux de pilotage entre l'unité de commande centrale 8 et les dispositifs d'insertion/extraction optique 6c.
Dans ce troisième mode de réalisation, plusieurs mobiles A peuvent cohabiter par tronçon de fibre optique 5, jusqu'à la moitié du nombre de bornes optiques 13. Les mobiles A peuvent se croiser sans coupure de la communication. Le nombre de canaux « m » disponibles à bord des mobiles A ne dépend que du nombre de ports réseau 91 mis en œuvre dans les switch 9 c'est-à-dire qu'il peut être assez important, et typiquement supérieur à trois canaux. Dans cette configuration, le nombre de mobiles A qui peut coexister en communication bidirectionnelle continue avec l'infrastructure B est maximal et surtout le nombre de ports réseau 91 à mettre en œuvre est minimal. Dans le cas de l'application « ferroviaire », cette configuration est adaptée à la signalisation en cantons mobiles déformables.
En référence à la figure 12, les fibres optiques 5 traversent un module d'amplification 55 pour amplifier le signal optique de la fibre optique 5 dans les deux sens de propagation. Un module d'amplification optique 55 comporte deux multiplexeurs en longueurs d'onde 52 permettant de séparer les canaux optiques TX (émis par un dispositif d'émission/réception laser 95) d'une part et les canaux optiques RX (reçu par un dispositif d'émission/réception laser 95) d'autre part. Les canaux optiques TX et RX traversent chacun un amplificateur optique 51 de type « EDFA » (« Erbium Doped Fiber Amplifier »). Un tel module d'amplification 55 peut avantageusement être intégré dans un dispositif d'insertion/extraction optique 6 fixe et être piloté respectivement par l'unité de commande centrale 8. Il peut aussi avantageusement être intégré en coupure de la fibre optique 5 au niveau d'un switch 7 dans un concentrateur 30 ou en coupure de la fibre optique 314 au niveau du switch 7 dans un dispositif 40 du mobile A.
En référence à la figure 13, l'architecture réseau met en œuvre au moins un cœur de réseau 20 fonctionnant à très haut débit (100 à 400Gb/s) permettant d'interconnecter différents tronçons de l'infrastructure B à l'aide de dispositifs d'injection/extraction optique secondaires 12, tous les concentrateurs 30 étant raccordés à une même dorsale optique à très haut débit (« Backbone ») 1 1 . Chaque dispositif d'injection/extraction optique secondaire 12 inclut un moyen de multiplexage passif et d'amplification nécessaire à une dorsale optique 1 1 de grande longueur qui peut relier en double adduction tous les concentrateurs 30 à chacun des cœurs de réseau 20 placés à chaque extrémité de l'infrastructure B.
En référence à la figure 14, une ligne d'alimentation 10 alimente tous les éléments de l'infrastructure et notamment les transpondeurs fixes 3 depuis une station génératrice 50. Cette ligne d'alimentation 10 est parallèle aux fibres optiques 5 et intégrée dans le câble hybride optique/électrique 15 sur lequel est raccordé chaque transpondeur 3. Les stations génératrices 50 sont alimentées en moyenne tension (380v triphasé ou 230V monophasé) par une ligne d'alimentation principale 13 à partir d'une station génératrice principale 56 raccordée au réseau électrique global 500 qui alimente également les cœurs de réseau 20. Cette configuration permet d'intégrer les lignes électriques à basse tension dans une même gaine et faciliter les opérations de maintenance en présence de tensions électriques sans danger pour le personnel. En contrepartie, il faut limiter la distance entre les stations secondaires 50 d'autant plus que la consommation électrique des bornes optiques 3 est importante. On intègre avantageusement dans le module d'alimentation 320 des transpondeurs optiques 3 un accumulateur électrique permettant de lisser la consommation et d'éviter les pointes de courant sur la ligne 10.
En référence à la figure 3, les fibres optiques 5 et les lignes d'alimentation 10 sont avantageusement regroupées dans une gaine 154 et forment ensemble un câble hybride optique/électrique 15. Les lignes d'alimentation 10 sont par exemple en cuivre ayant alors une résistance de ligne d'environ 34 ohms par kilomètre et par mm2 de section. Une consommation maximale par borne optique de 10W donne par exemple un courant bidirectionnel de 0, 1A dans la ligne 10 et 3,4v de chute de tension soit 7% de perte joule pour une ligne simple de 1 km de longueur avec une section de 1 mm2. Dans cet exemple, un câble 15 avec environ six fibres optiques en gaine de diamètre 0,9mm et 10 paires de conducteurs 10 en gaine de diamètre 1 ,5mm permettraient de desservir un tronçon d'infrastructure d'une longueur de 2km. Un tel câble 15 aurait un diamètre extérieur de 10 à 15mm selon qu'il est destiné à être inclus dans un fourreau ou à être enfoui en pleine terre. Du fait que tous ses brins intérieurs sont de diamètre homogène de 1 à 1 ,5mm, sa souplesse reste satisfaisante et conforme aux normes des câbles à courant faible de type Telecom.
En référence à la figure 3bis, les fibres optiques 5 et les lignes d'alimentation 10 connectées à une borne optique 3 sont extraites du câble hybride optique/électrique 15 au niveau d'une cassette de lovage 153 intégrée dans la borne optique 13. Cette cassette de lovage 153 est par exemple intégrée au câble hybride optique/électrique 15 en enlevant la gaine 154 du câble hybride optique/électrique 15 sur une longueur d'au moins 500mm sans interrompre ni les fibres optiques 5 ni les lignes d'alimentation 10 pour faire au moins une boucle 151 avec l'ensemble des fibres optiques 5 respectant un rayon de courbure minimum de 50mm acceptable pour une fibre optique monomode en silice standard 9/125μηη et une boucle 152 avec les lignes d'alimentation 10. Seule, la boucle de la fibre optique 5 destinée à être connectée avec le transpondeur fixe 3 est interrompue pour être connectée au dispositif d'insertion/extraction 6 intégré au transpondeur optique 3 en ces deux points d'entrée/sortie avec des connecteurs optiques usuels. Pour plus de redondance et de sécurité de fonctionnement on utilise avantageusement les deux lignes d'alimentation 10 pour chaque borne optique 3. Pour un transpondeur optique 4, on peut aussi utiliser cette technique avec un seul câble 15 qui est stocké dans la cassette de lovage 153. On intègre avantageusement dans la cassette 153 le module d'amplification optique 51.
La cassette de lovage 153 peut également être utilisée pour interconnecter deux infrastructures B entre-elles ou une infrastructure B avec un autre réseau étendu de type 300 à l'aide d'un câble secondaire dont les fibres optiques 5 et/ou les lignes d'alimentation 10 sont raccordées à celles de l'infrastructure B à l'aide de boucles 151 et 152 incorporant des soudures optiques et/ou électriques. Des joints d'étanchéité 155 sont associés aux câbles 15 pour assurer l'étanchéité des gaines 154 avec la cassette 153. La cassette de lovage 153 constitue ainsi une sorte de « joint optique/électrique » étanche qui peut être stocké dans une chambre de tirage enterrée de façon traditionnelle ou préférentiellement intégrée dans la base de chaque borne optique fixe 3 placée en hauteur relâchant ainsi les contraintes d'étanchéité (injection de gaz neutre...).

Claims

REVENDICATIONS
Système de communication (1 ) bidirectionnelle continue par liaison atmosphérique entre une infrastructure (B) équipée de transpondeurs optiques fixes (3) reliés à des dispositifs d'émission/réception laser (95), et au moins un mobile (A) en mouvement par rapport à l'infrastructure (B) et équipé d'au moins deux transpondeurs optiques embarqués (4), en regard des transpondeurs optiques fixes (3), et reliés à des dispositifs d'émission/réception laser (95), les transpondeurs optiques (3, 4) étant chacun équipé d'un système d'auto-pointage (31 ) adapté pour effectuer une opération de pointage avec un des transpondeurs optiques (3, 4) en regard, de manière à assurer une communication entre les transpondeurs fixes (3) et les transpondeurs embarqués (4), le système (1 ) étant caractérisé en ce que chaque transpondeur optique fixe (3) est couplé à au moins une fibre optique (5) disposée le long de l'infrastructure (B) par l'intermédiaire d'un dispositif à insertion/extraction optique (6, 6a, 6b, 6c), une unité de commande centrale (8) étant adaptée pour piloter les dispositifs à insertion/extraction optiques (6a, 6c) et/ou les dispositifs d'émission/réception laser (95) en fonction de la position du mobile, de manière à ce que l'un des transpondeurs embarqués (4) communique avec un transpondeur fixe (3) pendant que l'autre transpondeur embarqué (4) effectue une opération de pointage avec un autre transpondeur fixe (3).
Système de communication (1 ) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les dispositifs à insertion/extraction optique (6, 6a, 6b, 6c) sont des commutateurs optiques (6a), et en ce que deux transpondeurs optiques (3) consécutifs sont couplés à des fibres optiques différentes (5), l'unité de commande centrale (8) étant adaptée pour commuter les commutateurs optiques (6, 6a) l'un après l'autre dans le sens de déplacement du mobile (A), de manière à ce que l'un des transpondeurs embarqués (4) communique avec un transpondeur fixe (3) pendant que l'autre transpondeur embarqué (4) effectue l'opération de pointage avec un autre transpondeur fixe (3).
Système de communication (1 ) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les dispositifs à insertion/extraction optiques (6b) sont sélectifs à une bande de longueurs d'onde qui leur est propre et fixe, les dispositifs d'émission/réception laser (95) étant adaptables en longueur d'onde, une unité de commande centrale (8) étant adaptée pour faire varier la longueur d'onde d'émission/réception des dispositifs d'émission/réception laser (95) en fonction de la position du mobile (A), de manière à ce que les longueurs d'onde d'émission/réception des dispositifs d'émission/réception laser (95) appartiennent à la bande de longueurs d'onde du multiplexeur à insertion/extraction optique (6, 6a, 6b, 6c) d'au moins un des transpondeurs optiques fixes (3) sur lesquels les transpondeurs optiques embarqués (4) sont pointés.
Système de communication (1 ) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la bande de longueurs d'onde injectée/extraite par les dispositifs à insertion/extraction optiques (6c) est reconfigurable, l'unité de commande centrale (8) étant adaptée pour faire varier la bande de longueurs d'onde injectée/extraite de chaque multiplexeur à insertion/extraction optique (6c) en fonction de la position du mobile, de manière à ce que les longueurs d'onde des dispositifs d'émission/réception laser (95) appartiennent à la bande de longueurs d'onde injectée/extraite du multiplexeur à insertion/extraction optique (6c) d'au moins un des transpondeurs optiques (3) fixes sur lesquels les transpondeurs optiques (4) embarqués sont pointés.
Système de communication (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce chaque fibre optique (5) est connectée à un routeur optique sélectif en longueur d'onde (7) dont les sorties sont connectées à un commutateur réseau fixe (9), le routeur optique sélectif en longueur d'onde (7) et/ou le commutateur réseau fixe (9) étant commandés par l'unité de commande centrale (8) de manière à ce que le flux de données issu des dispositifs d'émission/réception laser (95) embarqués aboutisse à au moins un ensemble de deux ports réseau (91 ) du commutateur réseau (9), les deux ports réseau (91 ) fonctionnant en agrégation au sein du commutateur réseau
(9).
Système de communication (1 ) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs commutateurs réseau fixes (9) répartis le long de l'infrastructure (B), un des ports réseau (91 ) de chaque commutateur réseau fixe (9) étant relié à un port réseau (91 ) des deux commutateurs réseau fixes (9) adjacents de manière à assurer la continuité de la communication entre les commutateurs réseau fixes (9). 7. Système de communication (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que une ou plusieurs longueurs d'onde des dispositifs d'émission/réception laser (95) est dédiée à la transmission des signaux de pilotage entre l'unité de commande centrale (8) et le dispositif d'émission/réception (40), et/ou les dispositifs à insertion/extraction optiques (6, 6a, 6c).
Système de communication (1 ) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le système d'auto-pointage (31 ) comporte un système de micropositionnement (304) de l'extrémité d'une fibre optique (314) pour établir une liaison optique « fibre à fibre » auto-pointée en espace libre entre les transpondeurs (3, 4).
9. Système de communication (1 ) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les transpondeurs optiques (3, 4) sont équipés d'un convertisseur optique-hyperfréquence (323) et d'une antenne sectorielle (322) pour établir une liaison hertzienne en espace libre entre les transpondeurs optiques (3) et (4).
10. Système de communication (1 ) selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel les dispositifs à insertion/extraction optiques (6b, 6c) sont constitués d'une fibre optique principale (62) et d'une fibre optique secondaire (63) accolée à la fibre optique principale (62) sur une zone de jonction, un ou plusieurs réseaux de Bragg (61 ) étant inscrits dans la zone de jonction des fibres optiques principales et secondaires (62, 63) de manière à ce que certaines longueurs d'onde soit extraites de la fibre optique principale (62) vers la fibre optique secondaire (63) ou insérée de la fibre optique secondaire (62) vers la fibre optique principale (63).
1 1. Système de communication (1 ) selon les revendications 10 et 4 prises en combinaison, dans lequel les fibres optiques principales (62) et secondaires
(63) sont solidaires d'un bilame piézo-électrique (60) de manière à ce que l'application d'une tension électrique aux bornes du bilame piézo-électrique (60) entraine une déformation du ou des réseaux de Bragg (61 ) inscrits dans la zone de jonction des fibres optiques principales et secondaires (62, 63).
12. Système de communication (1 ) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les dispositifs d'émission/réception laser (95) adaptables en longueur d'onde comportent un dispositif d'émission/réception laser (956) à longueur d'onde accordable et un modulateur externe électro-optique (954).
13. Procédé de communication bidirectionnelle continue par liaison atmosphérique entre une infrastructure (B) équipée de transpondeurs optiques fixes (3) reliés à des dispositifs d'émission/réception laser (95), et au moins un mobile (A) en mouvement par rapport à l'infrastructure (B) et équipé d'au moins deux transpondeurs optiques embarqués (4) reliés à des dispositifs d'émission/réception laser (95), les transpondeurs optiques (3, 4) sont équipés chacun d'un système d'auto-pointage adapté pour effectuer une opération de pointage avec un des transpondeurs (3, 4) en regard, de manière à assurer une communication entre les transpondeurs fixes (3) et les transpondeurs embarqués (4), chaque transpondeur optique fixe (3) étant couplé à au moins une fibre optique (5) disposée le long de l'infrastructure (B) par l'intermédiaire d'un dispositif à insertion/extraction optique (6, 6a, 6b, 6c), le procédé étant caractérisé en ce que les dispositifs à insertion/extraction optiques (6a, 6c) et/ou des dispositifs d'émission/réception laser (95) sont pilotés en fonction de la position du mobile, de manière à ce que l'un des transpondeurs embarqués (4) communique avec un transpondeur fixe (3) pendant que l'autre transpondeur embarqué (4) effectue une opération de pointage avec un autre transpondeur fixe (3).
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