Une LED rouge, une lentille, quelques composants électroniques et, plusieurs kilomètres plus loin, un autre radioamateur qui vous répond. L’idée pourrait ressembler à une expérience de laboratoire ou à un défi un peu farfelu. Pourtant, il est parfaitement possible de transmettre du Morse, de la voix et même des données à l’aide d’une simple source lumineuse.
Et les distances atteintes sont loin d’être anecdotiques : des expérimentateurs ont réalisé des liaisons optiques avec des LED sur plusieurs dizaines de kilomètres, et certains contacts ont dépassé les 200 km.
Alors, rangeons momentanément antennes, coaxiaux et ROSmètres : aujourd’hui, notre « émetteur » va s’allumer en rouge !
1 — Une LED peut-elle vraiment devenir un émetteur ?
Oui, car une LED possède une propriété extrêmement intéressante : son intensité lumineuse peut varier très rapidement.
Si nous faisons varier le courant qui la traverse au rythme d’un signal audio, sa luminosité varie exactement de la même manière.
Imaginons que nous parlions devant un microphone : Microphone → amplificateur → modulateur → LED
À l’œil, pratiquement rien ne se passe. La LED semble simplement allumée.
Mais un détecteur électronique placé à distance peut percevoir ces minuscules variations lumineuses et retrouver notre voix.
Nous venons de réaliser une liaison de télécommunication par lumière visible.
2 — De la radio à la lumière
Cela peut sembler très différent de nos bandes radioamateurs. Pourtant, radio et lumière appartiennent à la même grande famille : les ondes électromagnétiques.
En montant en fréquence, nous rencontrons successivement : ondes radio → micro-ondes → infrarouge → lumière visible → ultraviolet.
Une LED rouge émettant vers 660 nm correspond à une fréquence électromagnétique voisine de 454 THz, soit environ 454 000 GHz !
Des ondes radio à la lumière visible : une LED rouge émet elle aussi une onde électromagnétique.
Évidemment, aucun oscillateur de notre montage ne travaille directement à cette fréquence. C’est le matériau semi-conducteur de la LED qui produit la lumière.
Notre électronique ne fait que modifier son intensité.
3 — Comment mettre notre voix dans la lumière ?
La méthode la plus intuitive consiste à faire varier le courant de la LED avec le signal provenant du microphone.
Lorsque le signal audio augmente, la LED éclaire légèrement davantage. Lorsqu’il diminue, elle éclaire un peu moins.
Ces variations peuvent se produire des milliers ou des millions de fois par seconde sans que notre œil les distingue.
On parle de modulation d’intensité.
À l’autre extrémité de la liaison, une photodiode transforme ces variations lumineuses en un très faible courant électrique : LED → lumière modulée → photodiode → préamplificateur → haut-parleur
Et notre correspondant entend notre voix.
Nous pourrions également transmettre du Morse en faisant commuter la LED ou, mieux encore, en modulant celle-ci par une tonalité audio que notre manipulateur interrompt au rythme des points et des traits.
4 — Mais une LED éclaire dans toutes les directions !
Voilà notre premier gros problème.
Une LED de quelques watts peut produire beaucoup de lumière, mais celle-ci est dispersée dans un angle relativement important. À quelques kilomètres, seule une fraction infime atteint notre correspondant.
Nous devons donc concentrer cette lumière.
C’est ici qu’intervient notre nouvelle « antenne » : la lentille.
Une LED placée approximativement au foyer d’une lentille produit un faisceau beaucoup plus étroit.
Nous pouvons utiliser une lentille classique, une optique récupérée ou une grande lentille de Fresnel.
Nous obtenons ainsi l’équivalent optique d’une antenne directive.
Plus le faisceau est étroit, plus l’énergie est concentrée vers notre correspondant. Mais l’alignement devient également beaucoup plus délicat.
5 — Et à la réception ?
Exactement le problème inverse.
La lumière arrivant après plusieurs kilomètres est extrêmement faible. Il faut donc en récupérer le maximum.
Une grande lentille collecte la lumière sur toute sa surface et la concentre sur une petite photodiode.
Une BPW34, par exemple, constitue un détecteur intéressant et facile à trouver pour les premières expérimentations.
Le signal électrique qu’elle produit est cependant minuscule. On utilise donc généralement un amplificateur transimpédance, spécialement adapté aux photodiodes.
Notre récepteur devient : Lentille → photodiode → préamplificateur → filtre → amplificateur audio → casque
Principe d’un QSO optique : la LED modulée transmet le signal lumineux vers une photodiode placée à distance.
La qualité du récepteur est capitale. Augmenter sans cesse la puissance de la LED n’est pas forcément la meilleure façon de gagner de la distance : améliorer l’optique et réduire le bruit du récepteur peut être beaucoup plus efficace.
6 — Notre principal brouilleur s’appelle… le Soleil !
Sur 40 mètres, nous surveillons le bruit atmosphérique et les autres stations.
Avec notre récepteur optique, nous découvrons un brouilleur autrement plus puissant : la lumière ambiante.
Le Soleil, le ciel, les lampadaires, les phares automobiles et même certains éclairages domestiques produisent énormément de lumière.
La solution consiste notamment à utiliser un tube devant le détecteur pour limiter son champ de vision, éventuellement un filtre optique adapté à la couleur de notre LED et surtout une modulation permettant de séparer notre signal de la lumière ambiante.
Une liaison réalisée de nuit sera naturellement beaucoup plus confortable.
Voilà un QSO pour lequel attendre le coucher du Soleil peut améliorer considérablement les conditions !
7 — Quel rapport avec une station radio ?
Finalement, beaucoup plus qu’on pourrait le croire.
Dans une station classique, nous avons : TX → antenne → propagation → antenne → RX
Dans notre station optique : LED → lentille → atmosphère → lentille → photodiode
La puissance de la LED rappelle la puissance de notre émetteur. La concentration du faisceau joue un rôle comparable au gain d’une antenne directive. Le diamètre de l’optique de réception détermine la quantité d’énergie récupérée, tandis que la sensibilité du détecteur et le bruit électronique conditionnent les signaux les plus faibles que nous pouvons recevoir.
Nous retrouvons donc pratiquement toutes nos préoccupations habituelles de radioamateur.
8 — Et la propagation ?
Cette fois, oublions l’ionosphère.
Notre liaison dépend principalement de la visibilité entre les deux stations et de l’état de l’atmosphère.
Le brouillard est évidemment redoutable. La pluie, la brume, la pollution et les poussières peuvent également atténuer le signal.
Sur les longues distances apparaît aussi un phénomène intéressant : la scintillation.
Les mouvements de l’atmosphère et les différences de température font légèrement varier le trajet de la lumière. Le signal reçu peut alors fluctuer rapidement.
C’est un phénomène comparable à certains égards au fading que nous connaissons bien en radio, même si son origine physique est différente.
9 — Jusqu’où peut-on aller avec une LED ?
Quelques mètres ne présentent pratiquement aucune difficulté.
Avec une bonne optique, quelques centaines de mètres deviennent rapidement accessibles. Ensuite commence le véritable DX optique.
Un kilomètre est parfaitement réaliste, puis plusieurs kilomètres deviennent envisageables avec une bonne optique, un récepteur sensible et deux emplacements correctement dégagés.
Des radioamateurs ont cependant poussé l’expérience beaucoup plus loin.
La RSGB rapporte des expérimentations utilisant des LED haute puissance sur des distances de l’ordre de 100 km.
Plus spectaculaire encore, les expérimentateurs américains Clint Turner KA7OEI et Ron Jones K7RJ ont documenté en 2007 une liaison optique bidirectionnelle entre le mont Ellen dans l’Utah et le mont Wheeler dans le Nevada.
Distance : environ 173 miles, soit 278 km.
En visibilité directe entre deux points hauts, une liaison optique par LED peut atteindre des distances étonnantes.
Le contact fut notamment réalisé en Morse, avec également des essais de communication vocale.
Nous sommes déjà très loin de la petite LED clignotante posée sur notre établi !
10 — LED ou laser ?
À ce stade, une question vient naturellement : pourquoi ne pas employer un laser ?
C’est effectivement possible, et les radioamateurs expérimentent depuis longtemps les communications laser.
Un laser possède l’immense avantage de produire un faisceau extrêmement étroit. Mais cet avantage devient également un inconvénient : l’alignement doit être extraordinairement précis.
S’ajoute surtout la question de la sécurité oculaire. Certains lasers peuvent provoquer des lésions irréversibles, parfois sans que le faisceau paraisse particulièrement puissant.
Pour une première expérimentation F5KEE, la LED est donc beaucoup plus intéressante : économique, robuste, simple à moduler et généralement bien moins problématique en matière de sécurité.
11 — Essayons sur notre établi
Nous pouvons commencer très simplement.
Pour l’émetteur : Microphone → préamplificateur → transistor ou MOSFET → LED rouge
Pour le récepteur : BPW34 → préamplificateur → amplificateur audio → écouteur
Une liaison optique expérimentale peut être réalisée avec une LED de puissance, une photodiode et quelques composants courants.
Plaçons les deux montages à quelques mètres et parlons devant le microphone.
Puis éloignons progressivement le récepteur.
Ensuite seulement, ajoutons une lentille devant la LED et une autre devant la photodiode.
Le gain obtenu devient alors spectaculaire.
Une seconde expérience peut consister à transmettre une tonalité de 1 kHz, puis du Morse. Avec un filtre audio centré autour de cette tonalité, nous pouvons détecter des niveaux lumineux beaucoup plus faibles.
Nous retrouvons alors quelque chose que connaissent parfaitement les amateurs de CW et de modes numériques : plus la bande passante du récepteur est étroite, plus il devient facile de sortir un petit signal du bruit.
12 — De notre expérience au Li-Fi
Notre montage peut sembler anecdotique. Il ne l’est pas vraiment.
Les communications modernes par lumière visible, souvent regroupées sous l’appellation VLC — Visible Light Communication, utilisent exactement cette propriété : une source lumineuse peut être modulée suffisamment rapidement pour transporter de l’information tout en donnant à l’œil l’impression d’un éclairage parfaitement stable.
Les systèmes modernes peuvent évidemment utiliser des modulations et des débits infiniment plus sophistiqués que notre petit montage.
Mais le principe fondamental reste étonnamment proche.
Alors, peut-on réellement faire un QSO avec une LED ?
Oui, incontestablement.
Nous pouvons transmettre notre indicatif en Morse, notre voix et même des données. Avec une optique adaptée, un bon récepteur et deux emplacements dégagés, les kilomètres s’accumulent rapidement.
Et lorsque certains expérimentateurs réussissent à établir une liaison sur 278 km, la LED cesse définitivement d’être un simple voyant lumineux.
Cette expérience nous rappelle surtout quelque chose que les radioamateurs ont toujours aimé démontrer : il n’est pas nécessaire de disposer d’une technologie extraordinaire pour expérimenter les télécommunications.
Parfois, quelques composants, deux lentilles et une LED rouge suffisent pour inventer une nouvelle manière de dire : « CQ CQ CQ… »
