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WO2023079248A1 - Dispositif de connexion par reattribution de canal de transmission a un reseau fibre passif de communication multiplexe embarque pour aeronef - Google Patents

Dispositif de connexion par reattribution de canal de transmission a un reseau fibre passif de communication multiplexe embarque pour aeronef Download PDF

Info

Publication number
WO2023079248A1
WO2023079248A1 PCT/FR2022/052080 FR2022052080W WO2023079248A1 WO 2023079248 A1 WO2023079248 A1 WO 2023079248A1 FR 2022052080 W FR2022052080 W FR 2022052080W WO 2023079248 A1 WO2023079248 A1 WO 2023079248A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
mode
harness
multimode
connection device
Prior art date
Application number
PCT/FR2022/052080
Other languages
English (en)
Inventor
Sébastien LE GALL
Christophe Berterottiere
Bertrand DENOLLE
Original Assignee
Safran Electrical & Power
Cailabs
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 Safran Electrical & Power, Cailabs filed Critical Safran Electrical & Power
Priority to EP22834669.8A priority Critical patent/EP4427080A1/fr
Priority to CN202280077494.6A priority patent/CN118284834A/zh
Priority to US18/707,134 priority patent/US20250012976A1/en
Publication of WO2023079248A1 publication Critical patent/WO2023079248A1/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H04J14/04—Mode multiplex systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2817—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using reflective elements to split or combine optical signals
    • 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
    • H04B10/25—Arrangements specific to fibre transmission
    • H04B10/2581—Multimode transmission

Definitions

  • Connection device by transmission channel reassignment to a passive fiber-optic multiplexed communication network on board an aircraft
  • the invention relates to the general field of on-board optical networks for the transmission of multiplexed data in aeronautics or aerospace.
  • optical networks on board aeronautical or aerospace vehicles are essentially dedicated to the transmission of data.
  • the first of them by its size is the IFE, for "In Flight Entertainment” in English, or entertainment on board in French. It is present on a large number of recent aeronautical programs and provides passengers with software and content intended for their entertainment on board via various equipment.
  • connection boxes or FDB for "Floor Disconnect Boxes” in English, referenced 1 to 18, and the on-board entertainment control computer, or IFEC for “In Flight Entertainment Computer” in English.
  • the FDBs are 18 in number. They are distributed as close as possible to a group of 20 passengers and, individually, they perform the function of dispatcher/collector of their data.
  • the IFEC centralizes the IFE function and contains all the digital content (videos, games, music, etc.) dedicated to entertainment.
  • optical links whose maximum lengths reach a maximum length of 45 meters, are doubled, as shown in Figure 1, in order to achieve a bidirectional exchange (IFEC to FDB and FDB to IFEC) and the number of links present is thus increased to approximately forty.
  • the links dedicated to sending data by the IFEC on-board entertainment control computer to the FDB connection boxes ensure the downlink (also called the "down") at 5 Mbps/seat, i.e. 100 Mbps for 20 passengers served for an FDB.
  • the other links i.e. the links dedicated to the sending of data by the FDB connection boxes to the IFEC on-board entertainment control computer, are dedicated to the rising part (the "up") at 1 Mbps/seat.
  • the IFE network on board the A350 is similar to a star network.
  • wavelength multiplexing or CWDM for "Coarse Wavelength Division Multiplexing", mainly used in terrestrial technologies. but not yet widespread in the aircraft industry. It is known, among the key components, the MUX/DEMUX modules performing the wavelength multiplexing/demultiplexing functions.
  • Terrestrial CWDM makes it possible to implement up to a number (n C wDM) of 16 different transmission channels. These transmission channels are the following infrared wavelengths: 1310, 1330, 1350, 1370, 1390, 1410, 1430, 1450, 1470, 1490, 1510, 1530, 1550, 1570, 1590 and 1610 nm. Their spacing of 20 nm makes it possible to guarantee a non-covering of the spectral lines whatever the ambient temperatures.
  • FIG. 2 and FIG. 3 show an example of transmission on a single CWDM multiplexed optical line at ten wavelengths X. All the wavelengths are different and referenced from Xi to X 10 .
  • the optical line operates in point-to-point and bidirectional mode (up and down). The up and the down are shown separately (down in figure 2 and up in figure 3) for more visibility but the bricks and the line are the same.
  • brick we mean an optical multiplexer, denoted MUX in Figures 2 and 3, or an optical demultiplexer, denoted DEMUX in Figures 2 and 3.
  • Each node 20 comprises an optical multiplexing MUX module and an optical demultiplexing DEMUX module allowing access to the data transmitted on the line in order to inject them (“add”) or extract them (“drop”) simultaneously.
  • the MUX optical multiplexer and the DEMUX optical demultiplexer of the same node are coupled together via 22 single-mode optical fibers coupled between the single-mode inputs of one and the single-mode outputs of the other.
  • the IFE architecture could be arranged as shown in Figure 4. But such an architecture has a number of drawbacks.
  • CWDM notably presents intrinsic limits, on the one hand, related to two physical principles, and, on the other hand, related to the specific case of reconfiguration.
  • CWDM Length-division multiplexing
  • the first principle is the wave aspect of light. Any beam can be likened to a wave when its spectral line is narrow (a few nanometers wide). However, if the beam is placed in the presence of a second beam of an identical nature (similar intensity and identical wavelength ⁇ o ) but in phase opposition, then there will be destructive interference. The beams recombining, they will totally or partially disappear and the information conveyed with them as well.
  • the second limiting physical principle is the conservation of energy.
  • h Planck constant
  • c the speed of light
  • a first option consists in modifying the new transmitter and receiver systems accordingly, and more precisely their spectral characteristics in transmission (TX) and reception (RX) to bring the new signal to an unusual wavelength.
  • TX transmission
  • RX reception
  • the number of CWDM wavelengths is limited.
  • a second option consists in adding two optical/electronic and electronic/optical conversion modules, in series, in order to obtain the desired transmission channel, in other words in this case CWDM, the desired wavelength.
  • conversion modules is similar to what is done with reconfigurable optical add-drop multiplexers, or ROADM for "Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer” in English, available in the field of telecommunications. It has the advantage of not modifying the embedded systems as in the previous scenario. Indeed, the conversion modules can be considered as part of the transmission medium: the cable and its nodes.
  • optical/electronic and electronic/optical conversion modules have a non-negligible mass that must be weighed against the mass gains of the CWDM multiplexed network alone.
  • these modules for their electronic component, must host specific software for protocol management. In addition, they must meet possible broadband expectations while being insensitive to electromagnetic disturbances. Besides the fact that this conversion brings latency, the electronics require dedicated shielding, as well as hardened components, and other constraining items.
  • a fiber network in an aircraft must be as adaptable and flexible as possible.
  • a CWDM architecture turns out to be limited in number of channels and difficult to reconfigure with any reconfiguration of the network.
  • the invention aims to provide a solution making it possible to benefit from a gain in mass, from simplification and from passivity of the on-board multiplexed network while overcoming all the constraints mentioned above in the event of reconfiguration of the network. .
  • An object of the invention proposes a device for connection to an on-board multiplexed communication network by multimode optical fibers intended to be mounted on board an aircraft, the device comprising a first optical component for modifying the spatial profile of the light beam comprising a a multi-mode optical input terminal configured to be connected to a first multi-mode optical fiber and single-mode optical output terminals, and a second light beam spatial profile modifying optical component comprising single-mode optical input terminals and an output terminal multimode optic configured to be connected to a second multimode optical fiber.
  • connection device further comprises an optical harness for routing and reassigning the transmission channel comprising single-mode optical inputs coupled to the single-mode optical output terminals of the first component, single-mode optical outputs coupled to the monomode optical input terminals of the second optical component, and a plurality of monomode waveguides connected at a first end to an input of the optical harness and/or at a second end to an output of the optical harness.
  • optical harness for routing and reassigning the transmission channel comprising single-mode optical inputs coupled to the single-mode optical output terminals of the first component, single-mode optical outputs coupled to the monomode optical input terminals of the second optical component, and a plurality of monomode waveguides connected at a first end to an input of the optical harness and/or at a second end to an output of the optical harness.
  • the propagation modes excited in the fiber are characterized by spatial phase and electric field intensity profiles in a plane transverse to the propagation axis. These profiles are different according to the modes and several modes can coexist.
  • Multimode fibers are advantageous because they can transmit more energy than a single mode fiber when the beam applied to the input has several modes. A single-mode fiber would purely and simply eliminate the energy brought in modes other than the fundamental mode.
  • the optical components for modifying the spatial profile of the light beam are passive optical components making it possible to carry out spatial multiplexing, or SDM for "Spatial Division Multiplexing" in English, thanks to the technology of multi-plane conversion of light, or MPLC for "Muli-Plane Light Converter” in English.
  • SDM involves a so-called modal or spatial transmission channel, different from the transmission channels used in other optical multiplexing technologies.
  • MPLC technology provides a simple and efficient way to shape the transverse profile of any single-mode Gaussian coherent beam. This modeling, reproduced simultaneously for n different input beams, makes it possible to assign to each of them the form of a mode of propagation of the multimode network fiber. All of the beams are then injected in the different modal forms into the multimode optical fiber and transmitted at the end of the line without interference to the second MPLC demultiplexing module, i.e. to the second optical component for modifying light beam spatial profile.
  • Spatial multiplexing is compatible with wavelength multiplexing which means that, per mode, it is possible to use several wavelengths.
  • signals emitted with identical characteristics can be transmitted within the same multimode fiber when the modes are different. It is therefore possible to coexist within the same optical fiber, on different modes, two different signals but having identical transmission characteristics.
  • 30 channels can therefore be used per direction of propagation.
  • the use of propagation modes as a transmission channel makes it possible to overcome energy and wavelength considerations.
  • the fact of using the modal transmission channels makes it possible to override the limitation of spectral conversion mentioned above.
  • the SDM therefore makes it possible to simply and effectively reallocate the transmission channel from one mode to another, whatever they may be.
  • the SDM implemented by these optical components thus provides a solution making it possible to multiply the data transport capacities on board aircraft tenfold to meet the growing needs for data exchange on board, while offering a high capacity for reconfiguration of the wiring throughout the life of the aircraft.
  • Spatial multiplexing does not suffer from the problems encountered with wavelength division multiplexing, in particular related to the installation of a secondary power supply network to offer the possibility of reconfiguring the network following the removal or addition of subscribers.
  • the optical harness for switching and reassigning transmission channels offers the possibility of modifying the configuration of the optical network whenever necessary by deleting or adding a subscriber or by modifying optical links in order to reassign a optical signal on a new modal transmission channel.
  • the optical harness forms an optical connection interface between two light beam spatial profile modifying optical components
  • the multiplexed network with spatial multiplexing using such a connection device is better than a CWDM network, while maintaining a passive character of the elements used and an efficiency at least equivalent and achieving a mass gain thanks to the absence of heavy additional device.
  • connection device does not use any additional electronic device or power supply that can add weight, or software. It only uses waveguides whose mass is as low as possible.
  • connection device is bidirectional and supports existing multiplexed technologies without recourse to any software and while offering an increased number of usable channels compared to known technologies because spatial multiplexing includes multiplexing.
  • the number of channels offered in SDM corresponds to the result of the product between the number of modes and the number of wavelengths available.
  • each of the first and second spatial profile modification optical components may comprise a first input/output of a multimode light beam, a second beam input/output, at least two mirrors allowing multiple reflection of the beam between the two mirrors, and an optical phase-shifting structure mounted on one of the two mirrors and which comprises several sets of multiple elementary phase-shifting zones, the individual phase-shifting patterns introduced by the elementary phase-shifting zones in each set generating an intermediate transformation of the spatial profile of the beam following the passage of the beam in this set, and the intermediate transformations generated by several sets combining, during the passages of the beam on the phase shift structure during multiple reflections between the mirrors, to form an overall transformation which includes a transformation of a first mode or group of propagation modes present in the light beam at the input into a second mode or group of propagation modes at the output, and reciprocally a transformation of the second mode or group of modes present in the light beam at the input towards the first output mode or group of modes.
  • the single-mode waveguides of the optical harness are made of silica.
  • the optical harness can be removable from the connection device to be replaced for example during maintenance operations on the ground by another optical harness of possibly different configuration.
  • Another object of the invention proposes an onboard optical communication network adapted to allow data transmission by multimode optical fiber between equipment items of an aircraft, the network comprising an upstream multimode optical fiber intended to be coupled to a source of a light radiation digitally modulated by the information and a downstream multimode optical fiber intended to be coupled to a receiver making it possible to demodulate this information, characterized in that it comprises at least one connection device as defined above and connected between the upstream optical fiber and the downstream optical fiber.
  • Another object of the invention proposes an aircraft comprising at least one on-board optical communication network as defined above.
  • FIG.1 Figure 1
  • Figure 1 already described, schematically presents a data distribution network known from the prior art.
  • FIG.2 Figure 2 already described, schematically illustrates an example of transmission in a first direction on a wavelength multiplexed optical line of the prior art.
  • FIG.3 Figure 3, already described, schematically illustrates an example of transmission in a second direction opposite to the first direction, on a wavelength multiplexed optical line of the prior art.
  • FIG.4 Figure 4, already described, schematically presents a hypothetical wavelength multiplexed optical network according to the prior art.
  • Figure 5 schematically represents an optical component for modifying the spatial profile of a light beam according to one embodiment of the invention
  • Figure 6 schematically represents an optical communication network comprising a connection device according to one embodiment of the invention.
  • the spatial profile of a light beam is a distribution profile of the electric field in a section of the light beam transverse to the axis of propagation. It is a profile of complex amplitudes of an electric field which can be represented at all points of the section by an intensity and a phase.
  • the intensity profile would be a Gaussian in the case of a beam transmitted by a monomode fiber excited according to the fundamental mode.
  • the profile is obviously more complex in the case of a multimode beam and it can be broken down into specific profiles corresponding to each mode.
  • the modes of propagation in a multimode fiber are commonly listed in the literature and often designated by letters and numbers which indicate the nature of the mode and its order along two dimensions.
  • the first order mode or fundamental mode is commonly designated by the name LP01
  • the higher modes are the LP11a, LP11b, LP21a, LP11b, LP02, LP03, LP31a, LP31b, etc. modes.
  • any beam propagating in a multimode fiber can be split based on the LP modes.
  • the technical literature gives abundantly the shapes of these spatial profiles for the most common modes.
  • the mode which propagates fastest is the fundamental mode LP01.
  • the other modes propagate more slowly, first the LP11 mode, then the LP02 and LP21 modes, and then the other modes. It is for example possible to choose to divide these modes into a first group comprising only the LP01 mode and a second group comprising the LP11, LP02 and LP21 modes.
  • the two modes can be divided into a first group comprising the LP01 mode and the LP11 mode and a second group comprising the LP02 and LP21 modes.
  • a division of the fiber modes into more than two groups is possible.
  • phase-shifting elements are programmable and consist of electrically operable deformable mirrors, but the principle would be the same with a plate of non-programmable mirrors structured with a fixed configuration for a predefined transformation. It would also be the same with a programmable (liquid crystal) or non-programmable transparent plate, structured to introduce a phase shift matrix on the path of the light beam.
  • any unitary (energy-conserving) beam spatial profile transformation can be obtained exactly using a finite number of intermediate transformations obtained by alternating phase-shifting structures and beam transformations.
  • Fourier optics If a limit (for example about ten) is imposed on the number of intermediate transformations, the global transformation obtained will be more approximate.
  • the phase-shifting structures modify the phases point by point in the section of the light beam.
  • the optical Fourier transforms can be lenses or spherical mirrors but in practice a simple propagation of the beam over a few centimeters in free space between two phase-shifting structures can replace the optical Fourier transforms in the alternation.
  • the previous article gives a recipe for the design of optical systems based on a succession of phase-shifting structures and free propagation between these structures to perform any unitary transformation of the spatial profile of a coherent light beam.
  • this output beam causes this output beam to interfere with a beam having a desired spatial profile on the plane corresponding to a phase-shifting structure.
  • the result of the interferences on the plane corresponding to each phase-shifting structure is observed and the configuration of the structure is modified in a direction tending to maximize the interferences.
  • This operation is repeated on the successive phase-shifting structures and it is started again by successive iterations on all the structures until an output beam with a profile very close to the desired beam is obtained.
  • the final configuration of the phase-shifting structures obtained after these iterations then serves to constitute the optical component for modifying the spatial profile which transforms the first profile into a desired second profile, whatever it may be.
  • Transformations consisting of a multiplexing of several propagation modes, that is to say a transformation of the spatial profile of several simple modes into a complex mode combining the spatial profiles of the simple modes, have been proposed in the article by Bryan Labroille and others, "Efficient and mode-selective spatial mode multiplexer based on multi-plane light conversion", in Optics Express 30 June 2014 vol 22 N°13 p 15599.
  • the component that performs this transformation also makes it possible to perform the inverse transformation (demultiplexing). Rather than using a succession of phase-shifting structures separated by free spaces of propagation, it uses a multiple reflection of the beam between two mirrors and a passage of the beam each time through the same phase-shifting structure but in different portions of it. ci, each portion representing the equivalent of a particular phase-shifting structure.
  • the optical component that is used in the present invention is a spatial profile transformation component produced according to the principles that have just been described. It executes a transformation of the spatial profiles corresponding to several modes or groups of propagation modes, each profile being transformed into another profile, in particular to transform the monomode signals into a multimode signal or vice versa.
  • a simplified example can be given of a way of carrying out the invention in the case where the input beam comprises only two modes LP01 (fast) and LP11a (slow ).
  • Such a beam given by way of example may have been obtained by preliminary filtering eliminating all the other modes.
  • the LP11a mode In the propagation in the fibre(s) at the output, the LP11a mode will lose the advance that it had taken at the input and the LP01 mode will catch up with the delay that it had taken. If the fibers are identical, they should preferably be given identical lengths. If they are not identical, that is to say if they do not give the same differences in propagation delay, it is necessary to calculate the optimal position of the component to place it at the place where the differences in delay due to the input fiber are equal to the delay differences due to the output fiber.
  • FIG. 5 is schematically illustrated an example of architecture of an optical component 50 for modifying the spatial optical profile of a light beam according to an embodiment of the invention.
  • the optical component 50 comprises a first multimode terminal 53 to which is connected a multimode optical fiber 51 which provides a beam F modulated in amplitude by digital information, second single-mode terminals 54 to which are connected single-mode optical fibers 52, a couple of mirrors 55 and 56, and a structure 57 for optical phase shifting of the beam.
  • the first terminal and the second terminals are preferably systems comprising lenses.
  • the beam F is delivered as input to the first multimode terminal 53 of the optical component 50 by the fiber multimode optics 51 .
  • the beam F is then directed onto a pair of mirrors 55, 56, possibly passing through optical elements such as lenses, reflecting mirrors, semi-transparent mirrors.
  • the optical phase shift structure 57 is produced on the reflecting surface of the first mirror 55, and the pair of mirrors 55 and 56 ensures the multiple reflections of the beam.
  • the optical phase shift structure 57 is formed on the reflecting surface of the first mirror 55.
  • the first mirror 55 comprises, on the scale of the wavelength of the radiation, a reflecting surface having a relief whose hollows and bumps define by their heights and depths the relative phase shifts to be applied to the beam parts which strike these hollows and these bumps.
  • These heights and depths relative to a mean plane are of the order of the wavelength of the light beam, ranging from a fraction of a wavelength to a few wavelengths.
  • a working wavelength could be 1550nm.
  • the first mirror 55 thus plays here not only the role of mirror to provide multiple paths of the beam but also the role of optical phase shift structure of the beam.
  • the multimodal beam is thus transformed, as the successive phase shifts progress, into a set of single-mode light beams at the output of the pair of mirrors 55 and 56.
  • the light beams Fs are directed at the output towards the second single-mode terminals 54 before each be injected into a single-mode optical fiber 52.
  • the optical component 50 operates in both directions.
  • the first multimode terminal 53 is an output terminal and the second terminals 54 are input terminals.
  • FIG. 6 schematically represents a multiplexed optical data communication network 30 according to one embodiment of the invention.
  • the optical network 30 comprises an optical source S digitally modulated by information to be transmitted and an optical receiver R making it possible to decode the digital information transmitted.
  • the optical network 30 further comprises two connection devices 40 connected in series between the source S and the receiver R.
  • the source S is connected to a first connection device 40 via an optical component 50s for spatial profile modification and a first optical fiber multimode 31, and the receiver is connected to a second connection device 40 via an optical spatial profile modification component 50r via a second multimode optical fiber 32. And the first connection device 40 is coupled to the second connection device 40 via a third multimode optical fiber 33.
  • Each connection device 40 comprises a first optical component 50a configured to be connected to a multimode optical fiber on its multimode input terminal 53a and deliver monomode light beams on its monomode output terminals 54a, a second optical component 50b configured to receive monomode optical beams on its monomode inputs 54b and be connected to a multimode optical fiber on its multimode output 53b, and an optical harness 60 for switching and reassigning the transmission channel coupled between the monomode output terminals 54a of the first optical component 50a and the monomode input terminals 54b of the second optical component 50b.
  • the optical harness 60 comprises a plurality of silica optical fibers 61, single-mode in the case of SDM, and one or more fiber terminals, also called connectors, in order to authorize the replacement of the harness.
  • the harness 60 can comprise different coupling configurations between its input and output connectors, these couplings possibly comprising couplings to additional inputs to allow connection to a new optical fiber thus allowing the connection of a new subscriber to the optical network, or, conversely, an absence of coupling from one input to one of the outputs, or vice versa.
  • the optical harness 60 makes it possible to ensure the routing of the various optical signals on the transmission channels available among the multimode fibers 31 of the optical network 30.
  • the routing is determined by the routing optical fibers used between the two optical components 50 which carry out the spatial profile modification.
  • the optical fibers 61 are inserted according to the particular arrangement desired in the terminals 54.
  • the optical channel reassignment harness 60 can take two different forms. It could for example be considered as a single component because it is made up of integral and inseparable elements.
  • the optical harness 60 fixed in a specific configuration is identified with a unique reference. In such case, in the event of a search for a new routing solution, it is the entire harness with its connector(s) at the ends that should be replaced by another harness meeting the need for reconfigurability.
  • the optical harness 60 in fixed configuration can thus be made with a multifiber harness of the MPO type complying with standard IEC 61754-7 with high density optical contacts. In fact, after mounting the contacts on the multifibre harness, it is not possible to modify the arrangement of the fibres.
  • the optical harness 60 can be upgradeable and modifiable.
  • the fibers are independent of each other and easily manipulated in order to be able to extract or insert each of the contacts at their ends into the dedicated cavity of terminal 54.
  • the contacts in question may be of the so-called snap or push-type type. sweater in English.
  • the contacts conventionally used in the aeronautical field such as the ELIO ⁇ contact (EN4531) or Luxcis ⁇ (ARINC 801) which can for example be associated with connectors of the MIL 38999 or EN4165 or ARINC600 type, without forgetting to
  • the traditional telecom contacts such as the Lucent Connector (LC) complying with the IEC 61754-20 standard and or the Switching Connector (SC) complying with the IEC 61754-4 standard.

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Abstract

Un dispositif de connexion (40) à un réseau multiplexé embarqué (30) de communication par fibres optiques multimodes pour un aéronef, le dispositif (40) comprenant un premier composant optique (50a) de modification de profil spatial de faisceau lumineux comprenant une borne d'entrée optique multimode (53a) configurée pour être raccordée à une première fibre optique multimode (31) et des bornes de sortie optique monomode (54a), et un second composant optique (50b) de modification de profil spatial de faisceau lumineux comprenant des bornes d'entrée optique monomode (54b) et une borne de sortie optique multimode (53b) configurée pour être raccordée à une seconde fibre optique multimode (33 ou 32). Il comprend en outre un harnais optique (60) d'aiguillage et de réattribution de canal de transmission comportant des entrées optiques monomodes couplées aux bornes (54a) de sortie optique monomode du premier composant (50a), des sorties optiques monomodes couplées aux bornes (54b) d'entrée optique monomode du second composant optique (50b), et des guides d'onde monomode (61).

Description

Description
Titre de l'invention : Dispositif de connexion par réattribution de canal de transmission à un réseau fibré passif de communication multiplexé embarqué pour aéronef
Domaine Technique
L'invention concerne le domaine général des réseaux optiques embarqués de transmission de données multiplexées en aéronautique ou en aérospatial.
Technique antérieure
Afin de relier des équipements d'un aéronef entre eux à des fins de communication, les aéronefs sont équipés de différents câblages formant un ou plusieurs réseaux dont l'installation et la maintenance peuvent être complexes. En outre, ce câblage présente un coût important, d'une part en termes de prix des câbles mais aussi en termes de poids entraînant une hausse de la consommation de carburant durant le vol. Les câbles de transport de données utilisent généralement un support en cuivre de deux paires torsadées. Ce type de réseau à câbles en cuivre possède plusieurs inconvénients : les câbles métalliques posent des problématiques de perturbations électromagnétiques (compatibilité électromagnétique, induction de courant, etc.), le câble limite le débit du réseau), et le poids des câbles est élevé (environ 32kg/km, un avion pouvant comprendre par exemple plusieurs centaines de kilomètre de câbles). À tous ces inconvénients s'ajoute en outre un coût élevé lors des modifications dans un contexte de maintenance.
Une solution proposée à au moins une partie de ces inconvénients a été de remplacer les câbles en cuivre par des fibres optiques.
Les réseaux optiques embarqués à bord de véhicules aéronautiques ou aérospatiaux sont essentiellement dédiés à la transmission de données. Le premier d’entre eux par sa taille est l’IFE, pour « In Flight Entertainment » en anglais, ou divertissement à bord en français. Il est présent sur un grand nombre de programmes aéronautiques récents et fournit aux passagers des logiciels et des contenus destinés à leur distraction à bord via divers équipements.
Ces réseaux ont de plus en plus recourt à la fibre optique compte tenu des débits linéiques sans cesse croissants et notamment du fait de l’apparition de nombreux nouveaux services et équipements connectés. Cependant, l’architecture et la technologie classique du système de câblage de fibres optiques au sein de l’aéronef est peu compatible avec ces besoins croissants : massique, peu évolutif, difficilement reconfigurable.
Ainsi, par exemple, pour l'IFE d’un airbus A350 représenté en partie sur la figure 1 , deux types d’équipement s’échangent des données par voie optique dans cette zone cabine : les boîtiers de connexions, ou FDB pour « Floor Disconnect Boxes » en anglais, référencés 1 à 18, et le calculateur de commande de divertissement embarqué, ou IFEC pour « In Flight Entertainment Computer » en anglais. Les FDB sont au nombre de 18. Ils sont répartis au plus près d’un groupe de 20 passagers et, unitairement, ils assurent la fonction de répartiteur/collecteur de leurs données. L’IFEC centralise la fonction IFE et contient l’ensemble des contenus numériques (vidéos, jeux, musique, etc.) dédiés au divertissement.
La vingtaine de liaisons optiques, dont les longueurs maximales atteignent une longueur maximale de 45 mètres, est doublée, comme cela est illustré sur la figure 1 , afin de réaliser un échange bidirectionnel (IFEC vers FDB et FDB vers IFEC) et le nombre des liens en présence est ainsi porté à approximativement une quarantaine.
Les liaisons dédiées à l’envoi de données par le calculateur de commande de divertissement embarqué IFEC vers les boîtiers de connexion FDB assurent la partie descendante (appelée également le « down ») à 5 Mbps/siège, soit 100 Mbps pour 20 passagers desservis pour un FDB. Les autres liaisons, c’est-à-dire les liaisons dédiées à l’envoi de données par les boîtiers de connexion FDB vers le calculateur de commande de divertissement embarqué IFEC, sont dédiées à la partie montante (le « up ») à 1 Mbps/siège.
En définitive, le réseau IFE embarqué sur A350 est similaire à un réseau en étoile.
Or, cet état de fait n’est pas figé. Qu’il s’agisse de transmissions bidirectionnelles, de topologies alternatives, comme une topologie multiplexé en anneau décrite dans le document FR 3 060 248, beaucoup de travaux d’amélioration sont actuellement menés.
L’une des investigations menée pour améliorer les architectures optiques est le multiplexage en longueur d’onde, ou CWDM pour « Coarse Wavelength Division Multiplexing » en anglais, principalement utilisée dans les technologies terrestres mais pas encore répandue dans l’industrie aéronautique. Il est connu, parmi les composants clefs, les modules MUX/DEMUX assurant les fonctions de multiplexage/démultiplexage en longueurs d’onde.
Le CWDM terrestre permet de mettre en œuvre jusqu’à un nombre (nCwDM) de 16 canaux de transmission différents. Ces canaux de transmission sont les longueurs d’onde infra rouges suivantes: 1310, 1330, 1350, 1370, 1390, 1410, 1430, 1450, 1470, 1490, 1510, 1530, 1550, 1570, 1590 et 1610 nm. Leur espacement de 20 nm permet de garantir un non recouvrement des raies spectrales quelles que soient les températures ambiantes.
La figure 2 et la figure 3 permettent de se représenter un exemple de transmission sur une seule ligne optique multiplexée CWDM à dix longueurs d’onde X. Toutes les longueurs d’onde sont différentes et référencées de Xi à X10. La ligne optique fonctionne en mode point à point et en bidirectionnel (up et down). Le up et le down sont représentés séparément (down sur la figure 2 et up sur la figure 3) pour plus de visibilité mais les briques et la ligne sont les mêmes. Par brique, on entend un multiplexeur optique, noté MUX sur les figures 2 et 3, ou un démultiplexeur optique, noté DEMUX sur les figures 2 et 3.
Deux points d’accès intermédiaires que nous appellerons « nœuds » sont représentés. Chaque nœud 20 comprend un module MUX de multiplexage optique et un module DEMUX de démultiplexage optique permettant d’accéder aux données transmises sur la ligne afin de les injecter (« add ») ou de les extraire (« drop ») simultanément. Le multiplexeur optique MUX et le démultiplexeur optique DEMUX d’un même nœud sont couplés ensembles via des fibres optiques monomodes 22 couplées entre les entrées monomodes de l’un et les sorties monomodes de l’autre.
Ne serait-ce que pour l’IFE en zone cabine, on devine, par rapport une architecture fibrée classique, les nombreux avantages que pourraient procurer cette technologie CWDM dans un réseau embarqué : le gain massique, le gain de bande passante inexploitable.
Le multiplexage sur une seule fibre optique est en soi un gain de masse mais il convient toutefois de tenir compte de la connectique utilisée ainsi que de la masse des nœuds de raccordement au réseau. En outre, les modules utilisés sont passifs, ils ne nécessitent aucune alimentation. Enfin, aucun logiciel n’est nécessaire. De plus les composants MUX/DEMUX sont insensibles aux perturbations électromagnétiques. Ils peuvent également s’utiliser dans les deux sens et par conséquent l’aspect bidirectionnel est tout à fait réalisable.
Au final, l’architecture IFE pourrait s’agencer de la façon illustrée sur la figure 4. Mais une telle architecture présente un certain nombre d’inconvénients. Le CWDM présente notamment des limites intrinsèques, d’une part, liées à deux principes physiques, et, d’autre part, liées au cas spécifique de la reconfiguration.
Le multiplexage en longueur ou CWDM est limité par deux principes physiques.
Le premier principe est l’aspect ondulatoire de la lumière. Tout faisceau peut être assimilé à une onde dès lors que sa raie spectrale est étroite (quelques nanomètres de large). Or, si le faisceau est mis en présence d’un second faisceau de nature identique (intensité similaire et longueur d’onde Âo identique) mais en opposition de phase, alors, il y aura interférence destructrice. Les faisceaux se recombinant, ils disparaitront totalement ou en partie et l’information véhiculée avec eux également.
Il n’est donc pas envisageable de faire cohabiter au sein d’une même fibre optique deux signaux dès lors qu’ils ont les mêmes caractéristiques de transmission.
Ainsi, du fait que le CWDM autorise jusqu’à 16 longueurs d’onde et compte tenu de ce principe ondulatoire de la lumière, ce chiffre est diminué de moitié pour une utilisation bidirectionnelle. Huit des longueurs d’onde disponibles peuvent être utilisées pour le « up », et les huit autres pour le « down ». Au final le nombre d’abonnés utilisables sur la ligne optique est très réduit.
Le second principe physique limitant est la conservation d’énergie. Un grain de lumière (le photon) a une énergie E inversement liée à la longueur d’onde X : E=hc/X, avec h la constante de Planck et c la célérité de la lumière. Or il n’existe aucun dispositif à la fois optique et passif permettant d’obtenir, depuis ce seul premier grain de lumière, un second grain de lumière d’énergie supérieure (et donc de longueur d’onde plus courte).
En conséquence, il convient de cumuler l’énergie de plusieurs photons incidents pour au final en récolter un dernier d’énergie plus élevée. Cela est certes réalisable (phénomène de conversion ascendante, ou « anti-stokes » en anglais), mais ces échanges d’énergie, premièrement, relèvent de l’expérience de laboratoire (il n’existe aucun produit sur étagère), deuxièmement, dépendent des (rares) milieux de conversion autorisant cette conversion ascendante, ce qui implique l’utilisation et l’obtention de longueurs d’onde « exotiques », et troisièmement, dégradent les caractéristiques du signal d’origine (puissance).
Dans le domaine aérien, les conversions passives de longueurs d’onde CWDM (sans apport d’énergie électrique provenant d’un réseau extérieur) ne sont donc pas envisageables.
Il découle de ces deux principes physiques, les deux limitations d’utilisation majeures suivantes en CWDM. Premièrement, un même signal, après duplication, ne peut être émis que sur deux canaux de transmission CWDM différentes.
Deuxièmement, deux signaux différents mais ayant des caractéristiques optiques identiques, ne peuvent être multiplexés simultanément.
Les deux limitations relatives aux principes physiques et évoquées juste avant sont problématiques dans le cas d’une modification de l’agencement des abonnés sur le réseau multiplexé CWDM, c’est-à-dire dans le cas d’une reconfiguration du réseau.
Si l’on considère dans un réseau multiplexé CWDM le simple rajout d’un abonné configuré pour émettre à une longueur d’onde, A.10 par exemple, sur le premier nœud. Le risque de recombinaison destructrice rend la reconfiguration envisagée impossible.
La modification de ce réseau CWDM par le rajout de ce nouvel abonné n’est réalisable que selon les deux options suivantes.
Une première option consiste à modifier en conséquence les nouveaux systèmes émetteurs et récepteurs, et plus précisément leurs caractéristiques spectrales en transmission (TX) et réception (RX) pour amener le nouveau signal vers une longueur d’onde inusitée. Cependant, le nombre de longueurs d’onde CWDM est limité.
Si la chose est envisageable dans les technologies terrestres par un simple changement de transmetteur de télécommunication, elle ne l’est pas pour un système embarqué dans un aéronef en vol. En effet, modifier les composants d’émission/réception d’un système embarqué dédié à la transmission de données est lourd de conséquences. Chaque abonné est le fruit d’un long développement mené en amont, c’est-à-dire avant même la définition de la topologie du réseau. Revenir aux caractéristiques intrinsèques d’émission/réception des systèmes revient à leur imposer des modifications majeures et potentiellement à reconsidérer leur certification.
Ce premier scénario dit de « modifications des systèmes » est synonyme d’une hausse trop importante des coûts récurrents, ou RC pour « Recurring costs » en anglais.
Une seconde option consiste à rajouter deux modules de conversion optique/électronique et électronique/optique, en série, afin d’obtenir le canal de transmission désiré, autrement dit dans ce cas du CWDM, la longueur d’onde désirée.
Ce second scénario dit de « modules de conversion » s’apparente à ce qui se fait avec les multiplexeurs optiques d’insertion-extraction reconfigurables, ou ROADM pour « Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer » en anglais, disponibles dans le domaine des télécommunications. Il a l’avantage de ne pas modifier les systèmes embarqués comme dans le scénario précédent. En effet les modules de conversion peuvent être considérés comme partie prenante du média de transmission : le câble et ses nœuds.
Cependant, cette approche efface totalement les gains initiaux offerts par le multiplexage CWDM, c’est-à-dire la passivité, la simplicité et le gain massique.
En effet, ces modules de conversion optique/électronique et électronique/optique ont une masse non négligeable qu’il faut mettre en balance avec les gains massiques du seul réseau multiplexé CWDM.
En outre, ces modules de conversion doivent être alimentés, et ne sont donc pas passifs. Dès lors, la topologie générale est lourdement impactée puisqu’un réseau d’alimentation électrique doit être installé en parallèle du premier (le câble fibré multiplexé).
Enfin, ces modules, pour leur composante électronique, doivent héberger un logiciel spécifique pour la gestion protocolaire. De plus ils doivent répondre aux possibles attentes en haut débit tout en étant insensibles aux perturbations électromagnétiques. Outre le fait que cette conversion amène de la latence, l’électronique nécessite un blindage dédié, ainsi que des composants durcis, et d’autres éléments contraignants.
Un réseau fibré dans un aéronef se doit d’être le plus adaptable et le plus souple possible. Une architecture CWDM se révèle limité en nombre de voies et difficilement reconfigurable avec une quelconque reconfiguration du réseau.
Il conviendrait de mettre au point une nouvelle approche technologique permettant de répondre à n’importe quelle demande de reconfiguration, tout en assurant les aspects de passivité, de simplicité et de gain de masse qui font partiellement défaut au multiplexage CWDM.
Exposé de l’invention
L’invention vise à fournir une solution permettant de bénéficier d’un gain en masse, d’une simplification et d’une passivité du réseau multiplexé embarqué tout en s’affranchissant de toutes les contraintes évoquées ci-dessus en cas de reconfiguration du réseau.
Un objet de l’invention propose un dispositif de connexion à un réseau multiplexé embarqué de communication par fibres optiques multimodes destiné à être monté à bord d’un aéronef, le dispositif comprenant un premier composant optique de modification de profil spatial de faisceau lumineux comprenant une borne d’entrée optique multimode configurée pour être raccordée à une première fibre optique multimode et des bornes de sortie optique monomode, et un second composant optique de modification de profil spatial de faisceau lumineux comprenant des bornes d’entrée optique monomode et une borne de sortie optique multimode configurée pour être raccordée à une seconde fibre optique multimode.
Selon une caractéristique générale de l’invention, le dispositif de connexion comprend en outre un harnais optique d’aiguillage et de réattribution de canal de transmission comportant des entrées optiques monomodes couplées aux bornes de sortie optique monomode du premier composant, des sorties optiques monomodes couplées aux bornes d’entrée optique monomode du second composant optique, et une pluralité de guide d’ondes monomodes raccordés à une première extrémité à une entrée du harnais optique et/ou à une seconde extrémité à une sortie du harnais optique. A l'inverse des fibres monomodes qui ont un très petit diamètre de cœur et qui propagent la lumière dans un seul mode qui est le mode fondamental, les fibres multimodes ont un diamètre de cœur plus grand et peuvent propager la lumière simultanément dans plusieurs modes de propagation. Les modes de propagation excités dans la fibre sont caractérisés par des profils spatiaux de phase et d'intensité de champ électrique dans un plan transverse à l'axe de propagation. Ces profils sont différents selon les modes et plusieurs modes peuvent coexister. Les fibres multimodes sont avantageuses parce qu'elles peuvent transmettre plus d'énergie qu'une fibre monomode lorsque le faisceau appliqué à l'entrée présente plusieurs modes. Une fibre monomode éliminerait purement et simplement l'énergie amenée dans les modes autres que le mode fondamental.
Les composants optiques de modification de profil spatial de faisceau lumineux sont des composants optiques passifs permettant de réaliser un multiplexage spatial, ou SDM pour « Spatial Division Multiplexing » en anglais, grâce à la technologie de conversion multi-plan de la lumière, ou MPLC pour « Muli-Plane Light Converter » en anglais. Le SDM fait intervenir un canal de transmission dit modal ou spatial, différent des canaux de transmission utilisés dans les autres technologies de multiplexage optique.
La technologie MPLC fournit un moyen simple et efficace pour modeler le profil transverse de n’importe quel faisceau cohérent Gaussien monomode. Ce modelage, reproduit simultanément pour n faisceaux d’entrée différents, permet d’attribuer à chacun d’entre eux la forme d’un mode de propagation de la fibre réseau multimode. L’ensemble des faisceaux est ensuite injecté sous les différentes formes modales dans la fibre optique multimode et transmis en bout de ligne sans interférence jusqu’au second module MPLC de démultiplexage c’est-à-dire jusqu’au second composant optique de modification de profil spatial de faisceau lumineux.
Le multiplexage spatial est compatible avec le multiplexage en longueur d’onde ce qui fait que par mode, il est possible d’utiliser plusieurs longueurs d’onde. Au final, des signaux émis avec des caractéristiques identiques pourront être transmis au sein de la même fibre multimode dès lors que les modes sont différents..11 est donc possible de faire cohabiter au sein d’une même fibre optique, sur des modes différents, deux signaux différents mais ayant des caractéristiques de transmission identiques. Ainsi, par exemple, en considérant 12 modes de propagation différents et 5 longueurs d’onde, le nombre total de canaux exploitables par une seule fibre optique multimode est de 12 x 5 = 60 canaux. En bidirectionnel ce sont donc 30 canaux qui sont exploitables par sens de propagation.
De plus, l’utilisation des modes de propagation en tant que canal de transmission permet de s’affranchir des considérations d’ordre énergétique et de longueur d’onde. Ainsi le fait d’utiliser les canaux de transmission modaux permet de passer outre la limitation de conversion spectrale évoquée plus haut. Pour un signal optique donné, le SDM permet donc de réaliser simplement et efficacement une réallocation de canal de transmission d’un mode vers un autre, quels qu’ils soient.
Le SDM mis en œuvre par ces composants optiques apporte ainsi une solution permettant de décupler les capacités de transport de données à bord des aéronefs pour répondre aux besoins croissants d’échanges de données à bord, tout en offrant une forte capacité de reconfiguration du système de câblage tout au long de la durée de vie de l’avion.
Le multiplexage spatial ne souffre pas des problèmes rencontrés avec le multiplexage en longueurs d’ondes, notamment liés à l’installation d’un réseau d’alimentation secondaire pour offrir la possibilité de reconfigurer le réseau suite à la suppression ou à l’ajout d’abonnés.
En effet, le harnais optique d’aiguillage et de réattribution de canaux de transmission offre la possibilité de modifier à chaque fois que cela est nécessaire la configuration du réseau optique en supprimant ou en ajoutant un abonné ou en modifiant des liaisons optiques pour ainsi réattribuer un signal optique sur un nouveau canal de transmission modal. Le harnais optique forme une interface de connexion optique entre deux composants optiques de modification de profil spatial de faisceau lumineux
En outre, par le nombre de canaux offerts, la simplicité d’utilisation et surtout la souplesse d’utilisation que le dispositif de connexion apporte grâce à la possibilité technologique de changer de canal de transmission modal, le réseau multiplexé à multiplexage spatial utilisant un tel dispositif de connexion est meilleur qu’un réseau CWDM, tout en conservant un caractère passif des éléments utilisés et une efficacité au moins équivalente et en réalisant un gain massique grâce à l’absence de dispositif supplémentaires lourd.
En effet, le dispositif de connexion n’utilise pas de dispositif électronique supplémentaire ni d’alimentation pouvant ajouter du poids, ni de logiciels. Il n’utilise que des guides d’onde dont la masse est la plus réduite possible.
Le dispositif de connexion est bidirectionnel et supporte les technologies multiplexées existantes sans recours à un quelconque logiciel et tout en offrant un nombre de canaux exploitables accrus par rapport aux technologies connues du fait que le multiplexage spatial englobe le multiplexage. Le nombre de canaux offerts en SDM correspond au résultat du produit entre le nombre de modes et le nombre de longueurs d’ondes disponibles.
Dans un mode de réalisation, chacun des premier et second composants optiques de modification de profil spatial peut comporter une première entrée/sortie d'un faisceau lumineux multimode, une seconde entrée/sortie de faisceau, au moins deux miroirs permettant une multiple réflexion du faisceau entre les deux miroirs, et une structure de déphasage optique montée sur un des deux miroirs et qui comporte plusieurs ensembles de multiples zones élémentaires déphasantes, les motifs de déphasages individuels introduits par les zones élémentaires déphasantes dans chaque ensemble engendrant une transformation intermédiaire du profil spatial du faisceau suite au passage du faisceau dans cet ensemble, et les transformations intermédiaires engendrées par plusieurs ensembles se combinant, au cours des passages du faisceau sur la structure de déphasage lors de multiples réflexions entre les miroirs, pour former une transformation globale qui comporte une transformation d'un premier mode ou groupe de modes de propagation présent dans le faisceau lumineux en entrée en un deuxième mode ou groupe de modes de propagation en sortie, et réciproquement une transformation du deuxième mode ou groupe de modes présent dans le faisceau lumineux en entrée vers le premier mode ou groupe de modes en sortie.
Selon un cas pratique du dispositif de connexion, les guides d’ondes monomodes du harnais optique sont en silice.
Selon un autre cas pratique du dispositif de connexion, le harnais optique peut être amovible du dispositif de connexion pour être remplacé par exemple lors des opérations de maintenance au sol par un autre harnais optique de configuration éventuellement différente.
Un autre objet de l’invention propose un réseau de communication optique embarqué adapté pour permettre une transmission de données par fibre optique multimode entre des équipements d’un aéronef, le réseau comprenant une fibre optique multimode amont destinée à être couplé à une source d’un rayonnement lumineux modulé numériquement par les informations et une fibre optique multimode aval destinée à être couplée à un récepteur permettant de démoduler ces informations, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un dispositif de connexion tel que défini ci-dessus et raccordé entre la fibre optique amont et la fibre optique aval.
Un autre objet de l’invention propose un aéronef comprenant au moins un réseau de communication optique embarqué tel que défini ci-dessus.
Brève description des dessins
L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
[Fig.1 ] La figure 1 , déjà décrite, présente schématiquement un réseau de distribution de données connu de l’art antérieur.
[Fig.2] La figure 2, déjà décrite, illustre schématiquement un exemple de transmission dans un premier sens sur une ligne optique multiplexée en longueurs d’ondes de l’art antérieur.
[Fig.3] La figure 3, déjà décrite, illustre schématiquement un exemple de transmission dans un second sens opposé au premier sens, sur une ligne optique multiplexée en longueurs d’ondes de l’art antérieur.
[Fig .4] La figure 4, déjà décrite, présente schématiquement un réseau optique multiplexé en longueurs d’ondes hypothétique selon l’art antérieur.
[Fig.5] La figure 5 représente schématiquement un composant optique de modification de profil spatial d’un faisceau lumineux selon un mode de réalisation de l’invention, [Fig.6] La figure 6 représente schématiquement un réseau optique de communication comprenant un dispositif de connexion selon un mode de réalisation de l’invention.
Description des modes de réalisation
Le profil spatial d'un faisceau lumineux est un profil de distribution du champ électrique dans une section de faisceau lumineux transversale à l'axe de propagation. C'est un profil d'amplitudes complexes d'un champ électrique qui peut être représenté en tous points de la section par une intensité et une phase. Par exemple, le profil d'intensité serait une gaussienne dans le cas d'un faisceau transmis par une fibre monomode excitée selon le mode fondamental. Le profil est évidemment plus complexe dans le cas d'un faisceau multimode et il peut se décomposer en profils spécifiques correspondant à chaque mode.
Les modes de propagation dans une fibre multimode sont couramment répertoriés dans la littérature et souvent désignés par des lettres et des chiffres qui indiquent la nature du mode et son ordre selon deux dimensions. Typiquement, le mode du premier ordre ou mode fondamental est couramment désigné par l'appellation LP01 , les modes supérieurs sont les modes LP11 a, LP11 b, LP21 a, LP11 b, LP02, LP03, LP31a, LP31 b, etc.
Tout faisceau se propageant dans une fibre multimode peut se décomposer sur la base des modes LP. La littérature technique donne abondamment les formes de ces profils spatiaux pour les modes les plus courants. Le mode qui se propage le plus rapidement est le mode fondamental LP01 . Les autres modes se propagent plus lentement, d'abord le mode LP11 , puis les modes LP02 et LP21 , et ensuite les autres modes. On peut par exemple choisir de diviser ces modes en un premier groupe comprenant seulement le mode LP01 et un deuxième groupe comprenant les modes LP11 , LP02 et LP21 . Ou bien on peut diviser les deux modes en un premier groupe comprenant le mode LP01 et le mode LP11 et un deuxième groupe comprenant les modes LP02 et LP21 . Une division des modes de la fibre en plus de deux groupes est possible.
Dans l'article de Jean-François Morizur et autres, "Programmable 10 unitary spatial mode manipulation" dans le Journal of Optical Society of America Vol 27, N°11 , Novembre 2010, on montre qu'il est possible de transformer les profils spatiaux d'une famille de faisceaux lumineux en n'importe quelle autre famille de profils spatiaux, sous réserve que la transformation ainsi définie conserve l'énergie, par une succession de transformations intermédiaires en espace libre (non guidé) utilisant chacune une matrice d'éléments déphaseurs agissant sur la section du faisceau lumineux qui illumine cette matrice. Dans cet article, les éléments déphaseurs sont programmables et constitués par des miroirs déformables actionnables électriquement mais le principe serait le même avec une plaque de miroirs non programmable structurée avec une configuration figée pour une transformation prédéfinie. Il serait le même aussi avec une plaque transparente programmable (cristaux liquides) ou non programmable, structurée pour introduire une matrice de déphasage sur le trajet du faisceau lumineux.
On montre également dans cet article comment n'importe quelle transformation unitaire (qui conserve l'énergie) de profil spatial de faisceau peut être obtenue de manière exacte en utilisant un nombre fini de transformations intermédiaires obtenues par une alternance de structures déphasantes et de transformations de Fourier optiques. Si on s'impose une limite (par exemple une dizaine) au nombre de transformations intermédiaires, la transformation globale obtenue sera plus approximative. Les structures déphasantes modifient point par point les phases dans la section du faisceau lumineux. Les transformées de Fourier optique peuvent être des lentilles ou des miroirs sphériques mais en pratique une simple propagation du faisceau sur quelques centimètres en espace libre entre deux structures déphasantes peut remplacer les transformées de Fourier optiques dans l'alternance.
L'article précédent donne une recette de conception de systèmes optiques à base d'une succession de structures déphasantes et de propagation libre entre ces structures pour effectuer n'importe quelle transformation unitaire de profil spatial d'un faisceau lumineux cohérent.
Une autre recette de conception des différents ensembles de structures déphasantes permettant de faire une transformation désirée a été décrite dans la publication de brevet WO 2012/085046, soit pour corriger un faisceau qui a subi une transformation de profil soit pour appliquer volontairement à un faisceau une transformation de profil souhaitée. Cette conception des différentes structures déphasantes, plus rapide, plus efficace mais moins générale que celle de l'article précédent se fait en pratique par simulation dans un ordinateur capable de modéliser le comportement des profils de faisceau dans une succession de différents éléments optiques et notamment des structures déphasantes et des espaces de propagation libre. Le calculateur simule le passage, dans cette succession d'éléments optiques, d'un faisceau lumineux ayant un profil d'entrée et il calcule le faisceau de sortie qui en résulte. Il fait ensuite interférer ce faisceau de sortie avec un faisceau ayant un profil spatial désiré sur le plan correspondant à une structure déphasante. Le résultat des interférences sur le plan correspondant à chaque structure déphasante est observé et la configuration de la structure est modifiée dans un sens tendant à maximiser les interférences. Cette opération est reconduite sur les structures déphasantes successives et on recommence par itérations successives sur toutes les structures jusqu'à obtenir un faisceau de sortie de profil très proche du faisceau désiré. La configuration finale des structures déphasantes obtenue après ces itérations sert alors à constituer le composant optique de modification de profil spatial qui transforme le premier profil en un second profil désiré, quel qu'il soit.
Des transformations consistant en un multiplexage de plusieurs modes de propagation, c'est-à-dire une transformation de profil spatial de plusieurs modes simples en un mode complexe combinant les profils spatiaux des modes simples, ont été proposées dans l'article de Guillaume Labroille et autres, "Efficient and mode-selective spatial mode multiplexer based on multi-plane light conversion", dans Optics Express 30 juin 2014 vol 22 N°13 p 15599.
Le composant qui fait cette transformation permet également de faire la transformation inverse (démultiplexage). Plutôt que d'utiliser une succession de structures déphasantes séparées par des espaces libres de propagation, il utilise une multiple réflexion du faisceau entre deux miroirs et un passage du faisceau à chaque fois à travers la même structure déphasante mais dans des portions différentes de celle-ci, chaque portion représentant l'équivalent d'une structure déphasante particulière.
Le composant optique qu'on utilise dans la présente invention est un composant de transformation de profil spatial réalisé selon les principes qu'on vient de décrire. Il exécute une transformation des profils spatiaux correspondant à plusieurs modes ou groupes de modes de propagation, chaque profil étant transformé en autre profil, notamment pour transformer les signaux monomodes en un signal multimode ou inversement. Pour expliquer le fonctionnement du composant optique de modification de profil spatial, on peut donner un exemple simplifié d'une manière de réaliser l'invention dans le cas où le faisceau d'entrée ne comporte que deux modes LP01 (rapide) et LP11a (lent). Un tel faisceau donné à titre d'exemple peut avoir été obtenu par filtrage préalable éliminant tous les autres modes. On cherche donc la succession de déformations de phase qui permettront de transformer simultanément dans le composant optique le profil de la lumière entrant sur le mode LP01 vers le mode LP11 a et le profil de la lumière entrant sur le mode LP11 a vers le mode LP01 . Pour trouver la succession de déformations pertinente, il est possible d'utiliser la méthode itérative décrite ci-dessus ou la méthode décrite dans l'article précité de JF Morizur. Le mode LP01 porteur d'informations qui étaient légèrement en avance du fait de la propagation dans la ou les fibre(s) en entrée du composant optique est devenu un mode LP11a porteur de cette information en avance et réciproquement le mode LP11 a porteur d'informations légèrement retardées est devenu un mode LP01 plus rapide mais porteur d'une information retardée. Dans la propagation dans la ou les fibre(s) en sortie, le mode LP11a perdra l'avance qu'il avait pris en entrée et le mode LP01 rattrapera le retard qu'il avait pris. Si les fibres sont identiques, il faut de préférence leur donner des longueurs identiques. Si elles ne sont pas identiques, c'est-à-dire si elles ne donnent pas les mêmes différences de retard de propagation, il faut calculer la position optimale du composant pour le placer à l'endroit où les différences de retard dus à la fibre en entrée sont égales aux différences de retard dus à la fibre en sortie.
Sur la figure 5 est illustré schématiquement un exemple d’architecture d’un composant optique 50 de modification du profil optique spatial d’un faisceau lumineux selon un mode de réalisation de l’invention.
Le composant optique 50 comprend une première borne 53 multimode à laquelle est connectée une fibre optique multimode 51 qui apporte un faisceau F modulé en amplitude par une information numérique, des secondes bornes 54 monomodes à laquelle sont connectées des fibres optiques monomodes 52, un couple de miroirs 55 et 56, et une structure 57 de déphasage optique du faisceau. La première borne et les secondes bornes sont de préférence des systèmes comportant des lentilles.
Dans un premier sens d’utilisation du composant optique 50 le faisceau F est délivré en entrée sur la première borne 53 multimode du composant optique 50 par la fibre optique multimode 51 . Le faisceau F est ensuite dirigé sur un couple de miroirs 55, 56, éventuellement en passant par des éléments optiques tels que des lentilles, des miroirs réfléchissants, des miroirs semi-transparents. La structure 57 de déphasage optique est réalisée sur la surface réfléchissante du premier miroir 55, et le couple de miroirs 55 et 56 assure les réflexions multiples du faisceau.
La structure 57 de déphasage optique est formée sur la surface réfléchissante du premier miroir 55. En effet, le premier miroir 55 comprend, à l'échelle de la longueur d'onde du rayonnement, une surface réfléchissante présentant un relief dont les creux et les bosses définissent par leurs hauteurs et profondeurs les déphasages relatifs à appliquer aux parties de faisceau qui frappent ces creux et ces bosses. Ces hauteurs et profondeurs par rapport à un plan moyen, sont de l'ordre de la longueur d'onde du faisceau lumineux, allant d'une fraction de longueur d'onde à quelques longueurs d'onde. Une longueur d’onde d’utilisation pourrait être 1550nm.
Le premier miroir 55 joue ici ainsi non seulement le rôle de miroir pour assurer des trajets multiples du faisceau mais aussi le rôle de structure de déphasage optique du faisceau. Le faisceau multimodal est ainsi transformé, au fur et à mesure des déphasages successifs, en un ensemble de faisceau lumineux monomodes en sortie du couple de miroir 55 et 56. Les faisceaux lumineux Fs sont dirigés en sortie vers les secondes bornes 54 monomodes avant d’être injectés chacun dans une fibre optique monomode 52.
Le composant optique 50 fonctionne dans les deux sens. Dans le sens opposé, la première borne 53 multimode est une borne de sortie et les secondes bornes 54 sont des bornes d’entrée.
Sur la figure 6 est représenté schématiquement un réseau optique multiplexé 30 de communication de données selon un mode de réalisation de l’invention.
Le réseau optique 30 comprend une source optique S modulée numériquement par des informations à transmettre et un récepteur optique R permettant de décoder l'information numérique transmise. Dans l’exemple simplifié illustré sur la figure 6, le réseau optique 30 comprend en outre deux dispositifs de connexion 40 connectés en série entre la source S et le récepteur R.
La source S est connectée à un premier dispositif de connexion 40 via un composant optique 50s de modification de profil spatial et une première fibre optique multimode 31 , et le récepteur est connecté à un second dispositif de connexion 40 via un composant optique 50r de modification de profil spatial via une seconde fibre optique multimode 32. Et le premier dispositif de connexion 40 est couplé au second dispositif de connexion 40 via une troisième fibre optique multimode 33.
Chaque dispositif de connexion 40 comprend un premier composant optique 50a configuré pour être raccordé à une fibre optique multimode sur sa borne d’entrée multimode 53a et délivrer des faisceaux lumineux monomodes sur ses bornes de sortie monomodes 54a, un second composant optique 50b configuré pour recevoir des faisceaux optiques monomodes sur ses entrées monomodes 54b et être raccordé à une fibre optique multimode sur sa sortie multimode 53b, et un harnais optique 60 d’aiguillage et de réattribution de canal de transmission couplé entre les bornes de sortie monomode 54a du premier composant optique 50a et les bornes d’entrée monomode 54b du second composant optique 50b.
Le harnais optique 60 comprend une pluralité de fibres optiques 61 en silice, monomodes dans le cas du SDM, et une ou plusieurs bornes pour fibre, également appelées connecteurs, afin d’autoriser le remplacement du harnais. Le harnais 60 peut comprendre différentes configurations de couplage entre ses connecteurs en entrée et en sortie, ces couplages pouvant comprendre des couplages à des entrées additionnelles pour permettre la connexion à une nouvelle fibre optique permettant ainsi le raccordement d’un nouvel abonné au réseau optique, ou , inversement, une absence de couplage d’une entrée à l’une des sorties, ou inversement.
Suivant l’architecture voulue et par conséquent suivant la configuration désirée, le harnais optique 60 permet d’assurer le routage des différents signaux optiques sur les canaux de transmission disponibles parmi les fibres multimodes 31 du réseau optique 30. Le routage est déterminé par le cheminement des fibres optiques utilisées entre les deux composants optiques 50 qui réalisent la modification de profil spatial. Les fibres optiques 61 sont insérées suivant l’arrangement particulier désiré dans les bornes 54.
Le harnais 60 de réattribution de canal optique peut se présenter sous deux formes différentes. Il pourra par exemple être considéré comme un seul composant car constitué d’éléments solidaires et indissociables. Le harnais optique 60 figé dans une configuration spécifique est identifié avec une référence unique. Dans un tel cas, dans l’hypothèse d’une recherche d’une nouvelle solution de routage, c’est l’intégralité du harnais avec son ou ses connecteurs aux extrémités qu’il convient de remplacer par un autre harnais répondant au besoin de reconfigurabilité.
Dans cette configuration, le harnais optique 60 en configuration figée pourra ainsi être réalisé avec un harnais multifibres de type MPO répondant à la norme CEI 61754-7 avec des contacts optiques à haute densité. En effet, après le montage des contacts sur le harnais multifibres il n’est pas possible de pouvoir modifier l’arrangement des fibres.
A l’inverse, dans une autre configuration, le harnais optique 60 pourra être évolutif et modifiable. A cet, les fibres sont indépendantes les unes des autres et facilement manipulables afin de pouvoir extraire ou insérer chacun des contacts à leurs extrémités dans la cavité dédiée de la borne 54. Ainsi, les contacts en question pourront être de type dit snap ou push-pull en anglais. On peut citer d’une part les contacts classiquement utilisés dans le domaine aéronautique comme le contact ELIO© (EN4531 ) ou Luxcis© (ARINC 801 ) pouvant par exemple être associés à des connecteurs de type MIL 38999 ou EN4165 ou ARINC600, sans oublier d’autre part les contacts télécoms classiques comme le Lucent Connector (LC) répondant à la norme CEI 61754-20 et ou bien le Switching Connector (SC) répondant à la norme CEI 61754-4.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Dispositif de connexion (40) à un réseau multiplexé embarqué (30) de communication par fibres optiques multimodes destiné à être monté à bord d'un aéronef, le dispositif de connexion (40) comprenant :
- un premier composant optique (50a) de modification de profil spatial de faisceau lumineux comprenant une borne d'entrée optique multimode (53a) configurée pour être raccordée à une première fibre optique multimode (31) et des bornes de sortie optique monomode (54a), et
- un second composant optique (50b) de modification de profil spatial de faisceau lumineux comprenant des bornes d'entrée optique monomode (54b) et une borne de sortie optique multimode (53b) configurée pour être raccordée à une seconde fibre optique multimode (33 ou 32), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un harnais optique (60) d'aiguillage et de réattribution de canal de transmission comportant des entrées optiques monomodes couplées aux bornes (54a) de sortie optique monomode du premier composant (50a), des sorties optiques monomodes couplées aux bornes (54b) d'entrée optique monomode du second composant optique (50b), et une pluralité de guide d'ondes monomodes (61) raccordés à une première extrémité à une entrée du harnais optique et/ou à une seconde extrémité à une sortie du harnais optique, le premier composant optique de modification de profil spatial de faisceau lumineux et le second composant optique de modification de profil spatial de faisceau lumineux étant des composants optiques passifs configurés pour réaliser un multiplexage spatial ou démultiplexage spatial via une conversion multi-plan de la lumière.
[Revendication 2] Dispositif de connexion (40) selon la revendication 1, dans lequel les guides d'ondes monomodes (61) du harnais optique (60) sont en silice.
[Revendication 3] Dispositif de connexion (40) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le harnais optique (60) comprend en outre un module de commande et des interrupteurs optiques commandés configurés pour modifier leur configuration en fonction de la commande reçue du module de commande, chaque interrupteur optique commandé permettant de modifier la sortie à laquelle est optiquement raccordée l'entrée associée à l'interrupteur commandé.
[Revendication 4] Dispositif de connexion (40) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le harnais optique (60) est amovible du dispositif de connexion (40) pour être remplacé à tout moment par un autre harnais optique de configuration éventuellement différente.
[Revendication 5] Réseau (30) de communication optique embarqué adapté pour permettre une transmission de données par fibre optique multimode entre des équipements d'un aéronef, le réseau comprenant une fibre optique multimode amont (31) destinée à être couplé une source (S) d'un rayonnement lumineux modulé numériquement par les informations et une fibre optique multimode aval (32) destinée à être couplée à un récepteur (R) permettant de démoduler ces informations, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif de connexion (40) selon l'une des revendications 1 à 4 raccordé entre la fibre optique amont (31) et la fibre optique aval (32).
[Revendication 6] Aéronef comprenant au moins un réseau de communication optique embarqué (30) selon la revendication 5.
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