Usage de photodiode InGaAs quatre quadrants pour la communication en optique en espace libre terrestre et satellitaire.
Free Space Optical Communications in Terrestrial & Satellite Systems with an InGaAs Quadrant Photodiode
Par George Gasparian, GPD Corporation
Traduis par Pierre Claudel, Pro-Lite Technology
Communications optiques en espace libre ( Free space optics FSOC)
La première application d’optique en espace libre (Free Space Optics, FSO) remonte à l’Antiquité, avec le feu comme émetteur et l’œil comme récepteur. Il s’agit de la première application en visibilité directe (LOS). Ensuite, avec l’utilisation du soleil comme émetteur, d’un miroir et d’un écran pour moduler la lumière, l’homme est passé à l’étape suivante. Ce système constituait une forme rudimentaire de communication.
Quelques millénaires plus tard, en 1880, Bell et Tainter déposèrent le brevet du Photophone, un système de communication par la lumière entre un émetteur (soleil ou filament de carbone) et un récepteur (capteur au sélénium). Ce dispositif est considéré par beaucoup comme le précurseur de la fibre optique et de la communication optique en espace libre.
À l’ère moderne, les communications sans fil terrestres et par satellite reposent principalement sur la transmission par radio fréquences, limitée en bande passante et en sécurité par des bandes de fréquences restreintes et des chemins de transmission ouverts. Avec les avancées de la photonique, l’optique en espace libre et la communication optique en espace libre se développent rendant désormais envisageable la transmission térahertz.
Les avantages des communications optiques en espace libre
Les systèmes FSOC (Free space optical communication) terrestres et satellitaires reposent à la fois sur des mécanismes de suivi et de communication, en utilisant une transmission bidirectionnelle entre un émetteur et un récepteur dans un lien optique directe. Les composants de l’optique en espace libre fonctionnent généralement dans le spectre SWIR (infrarouge court), en utilisant des lasers, des photodiodes et des photodiodes à avalanche. Cette technologie optique permet d’atteindre des débits de données bien supérieurs à ceux de la transmission Radio, avec une bande passante 10 à 100 fois plus élevée.
Un autre avantage majeur de la transmission optique est la sécurité, rendue possible par la faible largeur des faisceaux laser. De nombreuses applications utilisent le multiplexage en longueur d’onde (WDM) pour faciliter un lien optique bidirectionnel à deux longueurs d’onde, empêchant ainsi la diaphonie optique. Cette opération s’effectue de manière transparente au sein de l’interface optique.
Bien qu’il existe des différences notables entre les canaux de communication de données et de suivi, l’alignement du faisceau reste un élément commun et nécessaire.
La condition essentielle pour toute communication optique bidirectionnel terrestre est le maintien d’un signal continu entre les nœuds interconnectés. Ce système d’alignement par balise fonctionne de pair avec le canal de communication laser, permettant une transmission de données ininterrompue.
Perturbations du signal
Les liaisons de communication terrestres peuvent fonctionner aussi bien sur de courtes distances (de bâtiment à bâtiment) que sur de longues distances (de tour à tour) en transmission en visibilité directe (LOS).
Elles peuvent toutefois être perturbées par des instabilités physiques et/ou des sources externes de vibrations. Parmi les exemples, le mouvement des bâtiments, la dilatation et contraction thermiques, les activités de construction, la proximité de lignes ferroviaires ou aéroportuaires, ou encore des phénomènes météorologiques ou sismiques.
Les liaisons optiques directes sont affectées par les obscurcissements atmosphériques tels que la pluie, le brouillard ou la neige, qui absorbent ou diffusent les faisceaux laser incidents et réduisent ainsi la portée en dégradant le rapport signal/bruit (SNR).
Une autre contrainte de la transmission optique terrestre sont les obstructions intermittentes du faisceau par des vols d’oiseaux ou des essaims d’insectes, qui peuvent provoquer des atténuations du signal. Enfin, pour les liaisons optiques terrestres longue distance, la courbure de la Terre constitue une limite naturelle (à partir de plusieurs dizaines de kilomètres).
La communication optique entre satellites
La distance de liaison bidirectionnelle entre deux satellites (inter-satellite link) peut-être de plusieurs dizaine de milliers de kilomètres en fonctionnement en visibilité directe (LOS). Des avancées récentes, réalisées dans le cadre du projet de la NASA “Laser Communications Relay Demonstration”, permettent d’atteindre une modulation multi-gigahertz en réduisant la taille, poids et la consommation (SWaP : Size, Weight and Power) sur de très grandes distances, telles que les liaisons Terre-Lune ou Terre-Planète en transmission bidirectionnelle.
Les communications laser en orbite terrestre basse (LEO, Low Earth Orbit) ont largement bénéficié de ces avancées, notamment pour les réseaux de communication en LEO et les CubeSats. Ces satellites SWaP de très petite taille (de taille environ 10 cm × 10 cm × 10 cm) deviennent de plus en plus répandus en orbite basse pour l’observation de la Terre et la réalisation de mini-expériences.
Un élément critique pour toute opération réussie en LEO est que la dynamique orbitale doit être surveillée activement afin de maintenir une communication optimale. En effet, les différences d’altitude, de vitesse, la traînée atmosphérique ou les variations du champ gravitationnel terrestre peuvent dégrader les performances.
Pointage, Acquisition et Suivi (PAT – Pointing, Acquisition, and Tracking)
L’outil principal pour atteindre et maintenir l’alignement optique dans un système de communication optique en espace libre (FSOC) terrestre ou satellitaire basé sur un laser est l’algorithme de Pointage, Acquisition et Suivi (PAT – Pointing, Acquisition, and Tracking).
Le pointage correspond à un ajustement grossier : le laser du satellite surexpose le champ de vision (FOV) des optiques de réception. C’est le début du processus d’acquisition. Le laser de la station au sol ou du satellite balise recherche alors le satellite récepteur. Ce processus est itératif durant la phase de pointage.La station au sol ou le satellite balise passe d’une phase de détection à une phase d’acquisition du laser balise. Une fois la balise acquise, le canal d’émission se superpose au canal de réception. La correction finale est la phase de suivi, qui aligne précisément les deux satellites pour permettre la communication.
La surveillance en temps réel de la position du spot laser est au cœur du système de contrôle du faisceau laser: la précision de la détection de cette position détermine la performance de l’ensemble du système FSOC.
Le rôle de la photodiode quatre quadrants (QPD)
Un détecteur quatre quadrants (QPD Quadrant Photodiode) est un capteur de position discret. Il possède quatre détecteurs formant un cercle avec un vide (gap) entre les éléments. La distance de gap limite la taille du spot possible. Le positionnement est mesuré grâce à une mesure de proportionnalité entre les 4 éléments.
Le QPD est l’outil principal pour maintenir l’alignement qui simplifie le suivi entre les satellites de transmission et de réception.
La figure 5 ci-dessus montre une photodiode optimisée pour le SWIR montée dans un boitier TO-5.
Le capteur à quadrants est un réseau circulaire parallèle avec quatre anodes distinctes sur une cathode commune. Chaque segment de quadrant est électriquement isolé. La position du centroïde du spot illuminé, déterminée par le photocourant de sortie de chaque secteur, est donnée en coordonnées bidimensionnelle.
Les mécanismes de pointage, d’acquisition et de suivi permettent un alignement précis du faisceau entre l’émetteur et le récepteur, maintenant ainsi la connectivité du lien.
Un miroir à balayage rapide (FSM – Fast Scanning Mirror) assure la fonction d’acquisition/suivi via un mécanisme de rétroaction. Le signal en entrée est réfléchi par le FSM et une fraction est déviée par le séparateur de faisceau vers la photodiode à quatre quadrants (QPD). Ce signal est converti en coordonnées de position X-Y par la QPD. Ces données de position servent d’entrée au contrôleur du FSM, fournissant ainsi la commande nécessaire au FSM pour l’alignement.
Les caractéristiques clé d’une photodiode à quadrants InGaAs sont les caractéristiques électriques et optiques de chaque secteur :
- Sensibilité – Plage dynamique de puissance mesurable du nW au mW.
- Uniformité de surface – la réponse spectrale relative entre chaque secteur doit être proche de 100 %.
- Diaphonie (Crosstalk) – la fuite ou le couplage de photocourant d’un secteur à l’autre doit être inférieur à 2 %.
- Réponse temporelle – constante de temps de l’ordre de la nanoseconde.
La figure 7 montre un graphique de l’uniformité de réponse sur toute la surface du détecteur, ce graphique est représentatif de la réponse typique des detecteurs quatre quadrants InGaAs de GPD Optoelectronics.
Un faisceau incident de 1550nm (~10 µm de diametre) a été déplacé selon l’axe X et Y, générant un profil 3D avec le canal de signal représenté sur l’axe Z. Ce graphique illustre l’importance de l’uniformité des secteurs afin de réduire les besoins de normalisation du signal dans les étapes d’amplification, telles que les ajustements de gain.
Les photodiodes tétralatérales
Il existe deux types de capteurs de position, les capteurs discrets et les capteurs continus. Les mesures discrètes, par le biai de photodétecteurs quatre quadrants sont les principaux éléments utilisés en PAT (Position, Acquisition, Tracking).
La détection continue est possible grâce aux photodiodes tétralatérales. Ces détecteurs suivent continuellement le faisceau dans les deux dimensions sans aucun vide (gap). Ils sont idéaux pour le suivi de faisceaux de petit diamètres proche de 10µm. Cependant, ils sont limités en fréquence de modulation et en performances signal/bruit due à leur grande dimension.
Conclusion
Le succès de la communication optique en espace libre terrestre ou satellitaire dépend de la capacité à réaliser le processus de positionnement, acquisition et suivi (PAT) pour aligner les nœuds de communication. Un processus de PAT réussi est effectué grâce à des photodiodes quatre quadrants InGaAs.
Etant donné que la communication de satellite à satellite est de plus en plus courant en orbite terrestre basse et orbite terrestre moyen ou en orbit geostationnaire equatorial, une transmission précise est impérative. Les nouvelles technologies qui émergent comme le CubeSat sont réellement dépendants de la miniaturisation des detecteurs à quadrants pour faciliter les communications laser bidirectionnelles.
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Sources
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iii K. M. Riesing, “Development of a Pointing, Acquisition, and Tracking System for a Nanosatellite Laser Communications Module,” Massachusetts Institute of Technology, September 2015.
iv G. Gasparian, “Quadrant Photodiode,” GPD Optoelectronics Corporation, May 2024
v X. Wang, X. Su, G. Liu, J. Han, W. Zhu, and Z. Liu, « Method to Improve the Detection Accuracy of Quadrant Detector Based on Neural Network, » in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 22, pp. 1254-1257, 15 Nov.15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3116240.
vi Li, Q., Xu, S., Yu, J., Yan, L., & Huang, Y. (2019). “An improved method for the position detection of a quadrant detector for free space optical communication.” Sensors, 19(1), 175.
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viii “Performance evaluation of novel square-bordered position-sensitive silicon detectors with four-corner readout,” A. Banu, Y. Li, M. McCleskey, M. Bullough, S. Walsh, C. A. Gagliardi, L. Trache, R.E. Tribble, and C. Wilburn, Cyclotron Institute, Texas A&M University USA and Micron Semiconductor Ltd., UK, 20 December 2007
