EP0603036B1 - Dispositif de traitement optique de signaux électriques - Google Patents

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EP0603036B1
EP0603036B1 EP93402985A EP93402985A EP0603036B1 EP 0603036 B1 EP0603036 B1 EP 0603036B1 EP 93402985 A EP93402985 A EP 93402985A EP 93402985 A EP93402985 A EP 93402985A EP 0603036 B1 EP0603036 B1 EP 0603036B1
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EP
European Patent Office
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optical
modulator
slm
fibre
dispersive
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP93402985A
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German (de)
English (en)
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EP0603036A1 (fr
Inventor
Daniel Dolfi
Jean-Pierre Huignard
Jean Chazelas
Philippe Souchay
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of EP0603036A1 publication Critical patent/EP0603036A1/fr
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Publication of EP0603036B1 publication Critical patent/EP0603036B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06E—OPTICAL COMPUTING DEVICES; COMPUTING DEVICES USING OTHER RADIATIONS WITH SIMILAR PROPERTIES
    • G06E3/00—Devices not provided for in group G06E1/00, e.g. for processing analogue or hybrid data
    • G06E3/001—Analogue devices in which mathematical operations are carried out with the aid of optical or electro-optical elements
    • G06E3/005—Analogue devices in which mathematical operations are carried out with the aid of optical or electro-optical elements using electro-optical or opto-electronic means

Definitions

  • the invention relates to an optical signal processing device. electrical and in particular a device applicable as a transverse filter or correlator of microwave signals.
  • the invention relates to a set of devices to optical fiber for processing very wideband microwave signals and in particular performing the functions of matched filter and correlator. These devices exploit the chromatic dispersion properties of optical fibers but also the possibility of permanently inducing networks of Bragg.
  • a transverse filter achieves the summation of samples of a signal, taken at different times, with a law weighting characteristic of the signal to be filtered.
  • a filter we seek to determine, for example, the date of appearance of a signal p (t), known a priori.
  • Such filter if it maximizes the signal to noise ratio at time T, is said to be suitable.
  • the weighting method described for example in the document J. MAX “Methods and techniques of signal processing and applications to physical measurements", Masson, 1987 is an exemplary embodiment of such a filter.
  • the signal x (t) feeds a delay line consisting of N elements, each providing a delay T.
  • N + 1 points of the signal p (t) p (0), p ( ⁇ ), ... p (N ⁇ ).
  • the invention relates to a device for obtaining a large number of samples on very high frequency signals, typically n ⁇ 1024 from 0 to 20 GHz.
  • C (t o ) 1 b ⁇ T R (t - t o ) S (t) dt or R (tt 0 ) is a suitably delayed reference signal S (t) is the signal to correlate T is the integration time b is the noise power density per Hz.
  • This calculation is to determine the value of t 0 which ensures the maximum of the correlation function C (t 0 ). It is thus necessary to have a large number of samples of the reference signal delayed by different values of t 0 in order to ensure with precision the determination of t 0 which maximizes C (t 0 ).
  • Such a function can be performed in electronics but it is limited to signals whose frequency and bandwidth do not exceed a few 100 MHz. This limitation is due to the samples being too slow and the memory capacities too low.
  • Fiber optic devices performing correlation two optically transported signals have already been proposed (see par example French Patent Applications n ° 87 10120 and n ° 91 112040).
  • document GB 2 189 028 describes a filter comprising in series a multiwavelength optical source, a modulator electrooptics of the multiwavelength beam, a dispersive fiber, an angularly dispersive network and a mechanical filter filtering the result optical processing.
  • This device includes in series a laser L, an electrooptical modulator MOD, an optical fiber F, a dispersive network H or dispersive device for wavelengths, a SLM spatial light modulator, a lens (LE), a PD photodetector.
  • the laser L provides a beam B1 multi-wavelength ⁇ 1 , ... ⁇ N. It is for example, a solid state laser pumped diode delivering a continuous broadband spectrum or a large set of longitudinal modes. This beam is coupled in the MOD modulator.
  • each wavelength ⁇ 1 to ⁇ N can be considered as a carrier independent of the signal x (t).
  • the B2 beam from the MOD modulator is coupled in the optical fiber monomode F, used in a spectral range where it is dispersive, that is to say where the refractive index n of the fiber depends on the wavelength.
  • B3 beam from the optical fiber F has the different wavelengths delivered by source L all modulated by the MOD modulator, but these different lengths waves experience different delays when crossing the fiber due to the different refractive index n for each wavelength.
  • the beam B3 then meets the dispersive network H, operating by example in transmission.
  • the latter spatially separates the different wavelength components of the optical carrier.
  • Each component then passes through an element of the spatial light modulator SLM.
  • the transmission of each modulator element is variable depending on the voltage applied to it and thus allows to apply to each component the desired weighting.
  • An LE optical system then performs the summation of all the components, on a single photodetector PD.
  • the photodiode PD delivers a photocurrent proportional to the sum:
  • the first term Y 0 is a constant bias while the second Y 1 (t 0 ) is the result of the adapted filtering of x (t).
  • Such a length of fiber at these wavelengths, introduces losses optical transmission of the order of 8dB (2dB / km).
  • the optical fiber is no longer used as a medium dispersive. On the contrary, it is used at a wavelength for which the dispersion is minimal.
  • Bragg gratings tuned to wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 ... ⁇ N , working in reflection are photoinduced in the fiber. Bragg's agreement at different wavelengths is obtained by varying the period of the photoinduced grating.
  • the registration method is analogous to that described for example in the document G. Meltz, WW Morey, WH Glenn "Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method" Opt. Lett., 14, 823 (1989) and uses a UV laser, ensuring the permanence of the networks.
  • the laser source L emits an extended spectrum ⁇ , containing wavelengths ⁇ 1 ... ⁇ N.
  • the beam B1 which results therefrom is linearly polarized. It is then coupled in the MOD modulator identical to that previously described, excited by the hyper x (t) signal to be filtered.
  • This multifrequency optical carrier is then coupled in the network fiber, where each component will undergo reflection at a different abscissa. This fiber is polarization maintaining in order to be able to easily separate the incident and reflected beams.
  • FIG. 8 represents another alternative embodiment in which, when the divergence of the multifrequency beam B4 is too great compared to at the pixel size of the SLM modulator or when you want a very compact, it is advantageous to use the symmetrical system of the figure 8.
  • L c and L ' c are symmetrical lenses, for example with the same focal length.
  • H and H ' are similar networks. All the wavelengths are thus recombined in a single direction before being summed by means of the output lens.
  • the SLM pixels have the dimensions of the light lines formed by L c .
  • the spherical output lens and the detector single of FIG. 8 are replaced respectively by a cylindrical lens, parallel to Lc, and by an array of photodiodes.
  • SLM becomes a two-dimensional spatial light modulator (Nxp pixels). Each line of SLM has q independently addressable pixels. Each pixel is associated with a element of the photodiodes array. The system thus allows in parallel perform the filtering adapted to q different signals that may be contained in the signal x (t).
  • the device of the invention is also applicable to a correlator of electrical signals (microwave in particular).
  • the device for CCD optical detection can include as many elementary detectors as there are of image elements and that these detectors are coupled to a device for transferring charges.
  • the role of this device is to correlate two electrical signals S (t) and R (t).
  • the first MOD1 electrooptical modulator uses the signal S (t) to modulate the beam B1.
  • the second MOD2 electrooptical modulator uses the signal R (t) to modulate the beam B3 coming from the fiber F.
  • the beam B3 is, as we have seen previously, made up of a plurality of elementary beams of different optical wavelengths and having suffered different delays in the optical fiber F.
  • the MOD2 modulator applies therefore a modulation to each of these elementary beams. So that comes down to this that each of these elementary beams has an amplitude proportional to the produces modulations S (t) and R (t), carried out at different times for each of these elementary beams.
  • the dispersive network H spatially distributes the components of the beam B'3 each corresponding to a wavelength (or a narrow range of wavelengths).
  • the different elementary beams of the beam B4 are modulated by the SLM spatial light modulator and then transmitted to CCD photodetectors.
  • the role of the SLM modulator is to correct the dispersions of source L as well as the transmission system (fibers in particular).
  • the SLM modulator may not exist and this correction can be made at the level of detection on the CCD detector or at the level processing the signal detected by the CCD.
  • This device provides the same advantages as devices 2 and 4 and allows optically inconsistent detection on each CCD element.
  • FIG. 6 represents an alternative embodiment of the correlator of the invention.
  • the laser L emitting on a broad spectrum ⁇ , is coupled to two modulators MOD1 and MOD2 such as those described above ( ⁇ F ⁇ 20 GHz). They are respectively excited by the signals S (t) and R (t).
  • the beams from these modulators are linearly polarized and pass through polarization splitters or cube polarization splitters PBS 1 and PBS 2 . They are then coupled into two optical fibers F1, F2 with polarization maintenance of the same length 1 where networks have been photoinduced identical to those previously described.
  • the networks are arranged so as to reflect successively ⁇ 1 then ⁇ 2 , ... ⁇ N. The order is reversed in fiber F2.
  • the different components of the optical carriers S (t) and R (t) pass through the ⁇ / 4 plates and are perfectly reflected by PBS 1 and PBS 2 .
  • the beam reflected by the fiber F1 undergoes a polarization rotation of 90 ° and passes through PBS 2 .
  • the carriers of the signals R (t) and S (t) are superimposed at the end of PBS 2 and their polarizations are crossed.
  • This doubled beam then passes through a dispersive network H where the different wavelengths are spatially dispersed.
  • Each of them passes through a first spatial light modulator SLM 1 .
  • the latter is, for example, a liquid crystal cell operating in electrically controlled birefringence.
  • the polarization coincides for example with the optical axis of the liquid crystal molecules.
  • the refractive index seen by this polarization varies, depending on the voltage applied to the pixel, between n 0 and n e (ordinary and extraordinary indices of the liquid crystal).
  • the polarization sees a constant refractive index n0.
  • SLM 1 therefore makes it possible to control the relative phase shift ⁇ of the carriers of S (t) and R (t).
  • a polarizer P oriented at 45 ° from the othogonal polarization directions allows the recombination of these two polarizations.
  • a second SLM 2 spatial modulator attached to the first and having the same number of pixels, makes it possible to control the weights ⁇ k assigned to each wavelength component channel.
  • an optical system makes it possible to focus each channel on one of the elements of a multiple PDA photodetector, for example of the CCD type.
  • each pixel of the CCD delivers a signal proportional to the correlation product S (t) * R (t).
  • the photocurrent delivered by the photodetector l is proportional to:
  • the total bandwidth of the system is ⁇ F.
  • Number of correlation signal samples or channels is N.
  • a CCD pixel for an integration time of 1 ms allows the detection of 1 pW, i.e. a detectivity of the order of 3.10 -2 pW / Hz 1/2
  • T the NEP ( noise equivalent power) which corresponds to the smallest detectable power, therefore becomes:
  • CIP 3.10 -14 ⁇ 1/2
  • Figure 7 shows an alternative embodiment of Figure 6.
  • the fiber F1 has a chromatic dispersion over a range of optical wavelength ⁇ .
  • the F2 fiber is almost free of dispersion.
  • the PBS1 device located at the output of the fiber F1 is in fact a device reflection.
  • the PBS2 device located at the output of the F2 fiber makes it possible to combine the bundles from fibers F1 and F2.
  • the SP device located at the inputs of the fibers F1, F2 is a polarization splitter.
  • the beams transmitted to the fibers F1, F2 could also be of same direction of polarization and the SP device could be a separator of light.
  • the superimposed bundles from fibers F1, F2 are transmitted by the dispersive network H and the spatial light modulators SLM1 and SLM2 to the CCD optical detection device.
  • the product on each CCD detector thus has: that is to say
  • the single laser source L is replaced after a set of p sources each emitting a spectrum ⁇ / p.
  • a px1 coupler to combine the p sources into a single pigtail connected to the modulator mod.
  • N 1024 use 64 semiconductor lasers of a few mW, each emitting 16 modes longitudinal 0.1 nm apart.

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Description

L'invention concerne un dispositif de traitement optique de signaux électriques et notamment un dispositif applicable en filtre transverse ou en corrélateur de signaux hyperfréquences.
Plus particulièrement, l'invention concerne un ensemble de dispositifs à fibre optique permettant le traitement de signaux hyperfréquences à très large bande et notamment réalisant les fonctions de filtre adapté et de corrélateur. Ces dispositifs exploitent les propriétés de dispersion chromatique des fibres optiques mais également la possibilité d'y induire de manière permanente des réseaux de Bragg.
Comme cela est connu dans la technique, un filtre transverse réalise la sommation d'échantillons d'un signal, prélevé à des instants différents, avec une loi de pondération caractéristique du signal à filtrer. A l'aide d'un tel filtre, on cherche à déterminer, par exemple, la date d'apparition d'un signal p(t), connu a priori. Ce signal p(t) transitoire de durée finie T est mélangé à un bruit b(t) indépendant de p(t). C'est donc le signal x(t) = p(t)+b(t) qu'il est nécessaire de filtrer. Un tel filtre, s'il maximise le rapport signal à bruit à l'instant T, est dit adapté. Dans le cas d'un bruit blanc idéal, la réponse impulsionnelle h(t) du filtre adapté est h(t)=p(-t) : lorsque le bruit n'est pas blanc, ce filtre n'est plus optimal mais permet cependant de déterminer la date d'apparition de p(t) dans la plupart des cas.
La méthode de pondération décrite par exemple dans le document J. MAX "Méthodes et techniques du traitement du signal et applications aux mesures physiques", Masson, 1987 est un exemple de réalisation d'un tel filtre. Comme cela est représenté sur la figure 1, le signal x(t) alimente une ligne à retards constituée de N éléments, chacun fournissant un retard T. On dispose en outre d'un échantillonnage sur N+1 points du signal p(t) : p(0), p(τ), ... p(Nτ). Le signal issu de chaque élément constituant la ligne à retards est pondérée par un coefficient λk tel que: λk = p((N-k)τ)/|pmax| où |pmax| est la valeur maximale du module de p(t). A l'instant t0, la somme y(t0) des N+1 sorties pondérées vaut :
Figure 00020001
avec Nτ = T
Figure 00020002
Ceci est bien le résultat du filtrage adapté à l'instant t0-T. Cette fonction est aujourd'hui réalisée à partir de dispositifs électroniques numériques mais est alors limitée en fréquence et ne permet pas de traiter directement des signaux à des fréquences de l'ordre de 20 GHz. D'autres solutions, analogiques cette fois, à base de guides hyperfréquence ou de fibres optiques telles que décrites dans K.P Jackson J.J Schaw "Fiber optics delay-line signal processors" in 'Optical Signal Processing" J.L Horner Ed., Academic press permettent d'envisager d'atteindre ce domaine de fréquence mais elles se heurtent à la difficulté de réalisation d'un grand nombre de points de couplage.
L'invention concerne un dispositif permettant d'obtenir un grand nombre d'échantillons sur des signaux à très haute fréquence, typiquement n ∼ 1024 de 0 à 20 GHz.
De plus il est souvent nécessaire en traitement du signal de calculer le produit de corrélation : C(to) = 1b ∫T R(t - to )S(t)dt où
   R(t-t0) est un signal de référence convenablement retardé
   S(t) est le signal à corréler
   T est le temps d'intégration
   b est la densité de puissance de bruit par Hz.
L'objet de ce calcul est de déterminer la valeur de t0 qui assure le maximum de la fonction de corrélation C(t0). Il faut ainsi disposer d'un grand nombre d'échantillons du signal de référence retardés de différentes valeurs de t0 afin d'assurer avec précision la détermination du t0 qui maximise C(t0). Une telle fonction peut être réalisée en électronique mais elle est limitée à des signaux dont la la fréquence et la bande passante n'excèdent pas quelques 100 MHz. Cette limitation est due aux échantillons trop lents et aux capacités de mémoire trop faibles.
Des dispositifs à base de fibres optiques réalisant la corrélation de deux signaux transportés optiquement ont déjà été proposés (voir par exemple les Demandes de Brevets français n° 87 10120 et n° 91 112040).
De plus, le document GB 2 189 028 décrit un filtre comportant en série une source optique multilongueurs d'ondes, un modulateur électrooptique du faisceau multilongueurs d'ondes, une fibre dispersive, un réseau dispersif angulairement et un filtre mécanique filtrant le résultat du traitement optique.
Cependant, un tel signal n'est pas adaptatif facilement.
L'invention concerne donc un dispositif de traitement optique de signaux électriques, comportant :
  • une source optique émettant un faisceau optique multilongueur d'ondes ;
  • au moins un premier modulateur électrooptique recevant le faisceau optique et le modulant à l'aide d'un premier signal électrique à traiter pour fournir un premier faisceau modulé ;
  • au moins une première fibre optique recevant le faisceau module et incorporant des moyens de séparation spatiale permettant de transmettre un faisceau dans lequel les composantes correspondant aux différentes longueurs d'ondes sont retardées les unes par rapport aux autres dans la fibre ;
  • un réseau dispersif séparant les différentes longueurs d'ondes contenues dans le faisceau reçu de la fibre optique et fournissant un faisceau dispersé dans lequel chaque longueur d'onde est déviée selon une direction qui lui est caractéristique ;
   caractérisé en ce qu'il comporte également un modulateur spatial de lumière reconfigurable comportant une pluralité d'éléments de modulation recevant le faisceau dispersé et commandant le niveau d'intensité optique de différentes directions du faisceau dispersé et en ce que ladite fibre comporte des réseaux de Bragg, chaque réseau de Bragg ayant un pas déterminé de façon à réfléchir la lumière d'une longueur d'onde déterminée ; et en ce que le dispositif comporte en outre, entre le modulateur et la fibre optique, un séparateur de faisceau permettant de transmettre la lumière réfléchie par les réseaux de Bragg vers le réseau dispersif.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaítront dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent:
  • la figure 1, un schéma théorique général d'un filtre transverse ;
  • la figure 2, un exemple de réalisation d'un filtre transverse selon l'invention ;
  • la figure 3, des courbes de dispersion chromatique de fibres optiques ;
  • la figure 4, une variante de réalisation d'un filtre transverse selon l'invention ;
  • la figure 5, un exemple de réalisation d'un corrélateur de signaux hyperfréquences selon l'invention ;
  • la figure 6, un autre exemple de réalisation d'un corrélateur de signaux hyperfréquences de l'invention ;
  • la figure 7, une variante de réalisation du corrélateur de la figure 6 ;
  • la figure 8, une variante de réalisation applicable aux différents dispositifs des figures 2 à 7.
En se reportant à la figure 2, on va décrire un exemple de réalisation du dispositif de l'invention.
Ce dispositif comporte en série un laser L, un modulateur électrooptique MOD, une fibre optique F, un réseau dispersif H ou dispositif dispersif de longueurs d'ondes, un modulateur spatial de lumière SLM, une lentille (LE), un photodétecteur PD.
Le laser L fournit un faisceau B1 multilongueurs d'onde λ1, ... λN. C'est par exemple, un laser état solide pompé diode délivrant un spectre continu large bande ou un ensemble important de modes longitudinaux. Ce faisceau est couplé dans le modulateur MOD. Celui-ci est par exemple, un modulateur intégré sur LiNbO3 ou sur semiconducteur. Il possède une bande passante s'étendant entre deux fréquences F1 et F2 (exemple: F1 = 0 F2 = 20 GHz) et est excité par un signal x(t) à traiter.
On dispose ainsi dans le faisceau B2 d'une porteuse optique multilongueurs d'onde du signal à traiter. En fait, chaque longueur d'onde λ1 à λN peut être considérée comme une porteuse indépendante du signal x(t).
Le faisceau B2 issu du modulateur MOD est couplé dans la fibre optique monomode F, utilisée dans un domaine spectral où elle est dispersive c'est-à-dire où l'indice de réfraction n de la fibre dépend de la longueur d'onde. Le faisceau B3 issu de la fibre optique F comporte les différentes longueurs d'ondes délivrées par la source L toutes modulées par le modulateur MOD, mais ces différentes longueurs d'ondes subissent des retards différents lors de la traversée la fibre en raison de l'indice de réfraction n différent pour chaque longueur d'onde.
Le faisceau B3 rencontre ensuite le réseau dispersif H, fonctionnant par exemple en transmission. Ce dernier sépare spatialement les différentes composantes de longueurs d'ondes de la porteuse optique. Chaque composante passe alors au travers d'un élément du modulateur spatial de lumière SLM. La transmission de chaque élément du modulateur est variable en fonction de la tension qui lui est appliquée et permet ainsi d'appliquer à chaque composante la pondération désirée. Un système optique LE effectue ensuite la sommation de toutes les composantes, sur un photodétecteur unique PD.
A l'instant t0, l'intensité de la porteuse optique, sur chaque canal, avant la traversée du modulateur SLM est de la forme : Ik(to) = So + S1 . x(to - l nk c ) où :
  • C est la célébrité de la lumière
  • S0 et S1 sont des valeurs d'intensités lumineuses telles que S0 > S1 |xmax|
  • nk est l'indice de réfraction de la fibre à la longueur d'onde λk.
A la traversée de SLM, chaque canal est affecté d'un coefficient αk caractéristique d'un signal à détecter dans x(t) et devient : I'k(to) = So . αk + S1 . αk . x(to - lnk c )
La sommation optique étant incohérente, la photodiode PD délivre un photocourant proportionnel à la somme :
Figure 00060001
Le premier terme Y0 est un biais constant alors que le second Y1(t0) est le résultat du filtrage adapté de x(t).
On donne maintenant un exemple de réalisation du système et de ses performances :
  • Laser L :   laser état solide pompé diode émettant sur Δλ∼100nm entre 800 et 900nm, une puissance P0∼20mW.
  • Modulateur MOD :   modulateur optique intégré sur LiNbO3
       large bande passante 0-->20 GHz
       profondeur de modulation 80 à 100 %
       pertes d'insertion : 6 dB
  • Fibre :   monomode, en silice dont un exemple de courbes de dispersions est donné en figure 3. Il apparaít sur ces courbes qu'une fibre en silice pure est moins dispersive qu'une fibre de silice comportant un autre constituant. Ainsi il est possible d'adapter la dispersion de la fibre aux valeurs de retard désirées.
  • Réseau dispersif H :   ce réseau autorise couramment une résolution de 0,1nm.
  • Modulateur spatial de lumière SLM :   modulateur spatial à une dimension de 103 pixels ; cellule à cristal liquide présentant une dynamique de 20 à 30 dB. Transmission ∼ 50 %.
  • Détecteur optique PD :   photodiode rapide dont la puissance minimale détectable est typiquement de l'ordre de P1 ≈ 10-13 B où B est sa bande passante de fonctionnement ; pour une bande passante Δf, l'incrément de retard T doit être au plus de : τ = 1/2.ΔF
Ainsi, la longueur de fibre l permettant de réaliser un dispositif à N canaux est déterminée par :
Figure 00070001
   d'où l = cΔn . N2. Δf
Pour une fibre en silice, utilisée entre 800 et 900nm on a Δn ∼ 2.10-3 d'où si N = 103, ΔF = 20 GHz
   l = 3,8 km
Une telle longueur de fibre, à ces longueurs d'onde, introduit des pertes de transmission optique de l'ordre de 8dB (2dB/km).
Par ailleurs, la bande passante de la photodiode doit être de l'ordre de ΔF/N. Si Pl est la puissance minimum détectable par cette photodiode, elle doit satisfaire : P1 ≤ Po . T . 1N . 1D où T est la transmission optique totale du dispositif et D la dynamique permise par SLM. Dans l'exemple donné : ΔF/N ∼ 20 MHz d'où P1 ∼ 10-13 Δf / N = 4.10-10WetPo ≥ 20mW
Le dispositif ainsi décrit trouve une application préférentielle comme filtre transverse et procure les avantages suivants :
  • Ce système permet de réaliser le filtrage adapté, sans transposition de fréquence, de signaux à très haute fréquence et à large bande passante. En effet, l'incrément de retard peut être aussi faible que désiré : il suffit pour cela d'utiliser la fibre optique sur un domaine spectral où sa dispersion chromatique est faible ou d'adapter la nature de la fibre à l'incrément désiré.
  • Le contrôle de pondération αk est assuré en parallèle au moyen d'un dispositif unique SLM. Celui-ci est commandé par des tensions faibles et assure à chaque instant la reconfigurabilité du système.
  • Le contrôle indépendant sur chaque canal de la transmission du modulateur spatial SLM permet de compenser les non-uniformités du spectre émis par le laser ainsi que celles dues à la transmission de la fibre.
  • Le volume du dispositif devrait être faible et ne pas excéder le litre. De plus sa consommation restera réduit, compte tenu des rendements des sources actuelles.
En se reportant à la figure 4, on va maintenant décrire une variante du dispositif de la figure 2.
Dans cette variante, la fibre optique n'est plus utilisée en tant que milieu dispersif. Elle est au contraire utilisée à une longueur d'onde pour laquelle la dispersion est minimale.
Des réseaux de Bragg, accordés aux longueurs d'onde λ1, λ2 ... λN, travaillant en réflexion sont photoinduits dans la fibre. L'accord de Bragg aux différentes longueurs d'onde est obtenu par variation de la période du réseau photoinduit. La méthode d'inscription est analogue à celle décrite par exemple dans le document G. Meltz, W.W Morey, W.H Glenn "Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method" Opt. Lett., 14, 823 (1989) et utilise un laser UV, garantissant la permanence des réseaux.
La source laser L émet un spectre étendu Δλ, contenant des longueurs d'onde λ1... λN. De plus, le faisceau B1 qui en est issu est polarisé linéairement. Il est ensuite couplé dans le modulateur MOD identique à celui précédemment décrit, excité par le signal hyper x(t) à filtrer. Cette porteuse optique multifréquences est alors couplée dans la fibre à réseaux, où chaque composante va subir une réflexion à une abscisse différente. Cette fibre est à maintien de polarisation afin de pouvoir aisément séparer les faisceaux incidents et réfléchis.
La lame quart d'onde λ/4 achromatique et le séparateur de polarisation PBS (cube séparateur de polarisateur) permettent de collecter la lumière réfléchie par la fibre F. Le système de dispersion-pondération-sommation reste identique à celui précédemment décrit. Ainsi donc, l'intensité de la porteuse optique, sur chaque canal, après traversée du modulateur SLM, est de la forme :
Figure 00090001
   où:
  • n est l'indice de réfraction de la fibre ;
  • lk la position, dans la fibre, du réseau accordé à λk. De manière identique à ce qui précède, la sommation cohérente sur la photodiode fournit un photocourant qui rend compte du filtrage adapté de x(t). Afin de définir de façon précise l'échantillon temporel prélevé, il est nécessaire que l'épaisseur de chaque réseau soit petite devant la longueur d'onde du signal à traiter.
Si Δf est la bande passante à traiter et 1 la longueur totale de fibre : τ = 1/2Δf 2(lk+1 - lk) = cn τ l = N . c2n . 12Δf
Ainsi donc, pour l'application décrite précédemment, on aura par exemple :
   lk+1 - lk = 2,5 mm
   l = 2,5 m
   coefficient des réseaux = 250 µm
   épaisseur de réflexion de chaque réseau = 10 %
Le dimensionnement précédent du dispositif reste valable puisqu'on substitue aux pertes par transmission dans la fibre, l'efficacité en réflexion des réseaux.
La figure 8 représente une autre variante de réalisation dans laquelle, orsque la divergence du faisceau multifréquence B4 est trop importante par rapport à la taille des pixels du modulateur SLM ou lorsqu'on désire un système très compact, il est avantageux de mettre en oeuvre le système symétrique de la figure 8.
Lc et L'c sont les lentilles symétriques, par exemple de même focale. Dans ce cas H et H' sont des réseaux semblables. Toutes les longueurs d'onde sont ainsi recombinées sur une direction unique avant être sommées au moyen de la lentille de sortie. Les pixels de SLM ont les dimensions des lignes lumineuses formées par Lc.
Selon une autre variante, la lentille sphérique de sortie et le détecteur unique de la figure 8 sont remplacés respectivement par une lentille cylindrique, parallèle à Lc, et par une barrette de photodiodes. De plus SLM devient un modulateur spatial de lumière à deux dimensions (Nxp pixels). Chaque ligne du SLM comporte q pixels adressables indépendamment. A chaque pixel est associé un élément de la barrette de photodiodes. Le système permet ainsi en parallèle d'effectuer le filtrage adapté à q signaux différents pouvant être contenus dans le signal x(t).
Le dispositif de l'invention est également applicable à un corrélateur de signaux électriques (hyperfréquences notamment).
La figure 5 représente un exemple d'un tel corrélateur selon l'invention. Ce corrélateur comporte en série :
  • une source optique (laser) L
  • un premier modulateur électrooptique MOD1
  • une fibre optique dispersive F
  • un deuxième modulateur électrooptique MOD2
  • un réseau dispersif H
  • un modulateur spatial de lumière SLM
  • un dispositif de détection optique CCD.
Les différents éléments de ce corrélateur ont des caractéristiques similaires à celles du dispositif décrit précédemment. On précise que le dispositif de détection optique CCD peut comporter autant de détecteurs élémentaires qu'il y a d'éléments images et que ces détecteurs sont couplés à un dispositif à transfert de charges.
Ce dispositif a pour rôle de corréler deux signaux électriques S(t) et R(t). Le premier modulateur électrooptique MOD1 utilise le signal S(t) pour moduler le faisceau B1. Le deuxième modulateur électrooptique MOD2 utilise le signal R(t) pour moduler le faisceau B3 issu de la fibre F.
Le faisceau B3 est comme on l'a vu précédemment constitué d'une pluralité de faisceaux élémentaires de longueurs d'onde optique différente et ayant subi des retards différents dans la fibre optique F. Le modulateur MOD2 applique donc une modulation à chacun de ces faisceaux élémentaires. Cela revient donc à ce que chacun de ces faisceaux élémentaires ait une amplitude proportionnelle au produit des modulations S(t) et R(t), réalisé à des instants différents pour chacun de ces faisceaux élémentaires.
Le réseau dispersif H réparti spatialement les composants du faisceau B'3 correspondant chacune à une longueur d'onde (ou une gamme étroite de longueurs d'ondes). Les différents faisceaux élémentaires du faisceau B4 sont modulés par le modulateur spatial de lumière SLM puis transmis aux photodétecteurs CCD. Le rôle du modulateur SLM est de corriger les dispersions de la source L ainsi que du système de transmission (fibres notamment). Cependant selon une variante de réalisation le modulateur SLM peut ne pas exister et cette correction peut se faire au niveau de la détection sur le détecteur CCD ou au niveau du traitement du signal détecté par le CCD.
A l'instant t, sur chaque élément photodétecteur du CCD, l'amplitude du faisceau optique incident à la longueur d'onde λk est proportionnel à :
Figure 00110001
où
  • Io,k est l'intensité du faiceau à λk reçue par l'élément photodétecteur en l'absence de modulation ;
  • m1 et m2 les profondeurs de modulation du signal optique obtenues sur mod1 et mod2.
On rappelle que la bande passante totale du système est ΔF et que le nombre d'échantillons du signal de corrélation est N. Dans ce cas la bande passante de chaque élément du CCD est de l'ordre de Δf/N. Ainsi le temps d'intégration sur chaque élément du CCD vaut: T = N/2ΔF
Ainsi le photocourant délivré par chaque élément k du CCD est proportionnel : ik(t) : < Ik(t) > T = lk,o × T + m1 . m2lk,o ∫T S(t - lnk c )R(t)dt    et rend bien compte, dans sa partie modulée, du produit de corrélation S(t)*R(t).
De même que pour le filtre transverse, si ΔF = 20 GHz et N = 103 on a :
   1 ∼ 4km
   et Po ≥ P1 1T .N.D    où P1 vaut ici typiquement 10-10 W (détectivité du CCD de l'ordre de 3.10-2 pW/H21/2).
   D ∼ 40 dB
   et donc Po >60 mW
Ce dispositif procure les mêmes avantages que les dispositifs 2 et 4 et permet une détection optiquement incohérente sur chaque élément du CCD.
La figure 6 représente une variante de réalisation du corrélateur de l'invention.
Le laser L, émettant sur un large spectre Δλ, est couplé à deux modulateurs MOD1 et MOD2 tels que ceux décrits précédemment (ΔF ∼ 20 GHz). Ils sont respectivement excités par les signaux S(t) et R(t). Les faisceaux issus de ces modulateurs sont polarisés linéairement et passent au travers des séparateurs de polarisation ou cube séparateurs de polarisations PBS1 et PBS2. Ils sont ensuite couplés dans deux fibres optiques F1, F2 à maintien de polarisation de même longueur 1 où ont été photoinduits des réseaux identiques à ceux précédemment décrits. Dans la fibre F1 les réseaux sont disposés de manière à réfléchir successivement λ1 puis λ2,... λN. L'ordre en est inversé dans la fibre F2. Après réflexion, les différentes composantes des porteuses optiques S(t) et R(t) repassent au travers des lames λ/4 et sont parfaitement réfléchies par PBS1 et PBS2. Le faisceau réfléchi par la fibre F1 subit une rotation de polarisation de 90° et passe au travers de PBS2. Ainsi, les porteuses des signaux R(t) et S(t) sont superposées à l'issue de PBS2 et leurs polarisations sont croisées. Ce faisceau doublé passe ensuite au travers d'un réseau dispersif H où les différentes longueurs d'ondes sont dispersées spatialement. Chacune d'elle passe au travers d'un premier modulateur spatial de lumière SLM1. Ce dernier est, par exemple, une cellule à cristal liquide opérant en biréfringence contrôlée électriquement. La polarisation coïncide par exemple avec l'axe optique des molécules de cristal liquide. Ainsi l'indice de réfraction vu par cette polarisation varie, suivant la tension appliquée sur le pixel, entre n0 et ne (indices ordinaires et extraordinaires du cristal liquide). Au contraire la polarisation voit un indice de réfraction constant n0. SLM1 permet donc de contrôler le déphasage relatif ϕ des porteuses de S(t) et R(t). Un polarisateur P, orienté à 45° des directions de polarisation othogonales permet la recombinaison de ces deux polarisations. Un second modulateur spatial SLM2 accolé au premier et comptant le même nombre de pixels, permet de contrôler les poids αk affectés à chaque canal de composante de longueur d'onde. En sortie de ce dispositif, un système optique permet de focaliser chaque canal sur un des éléments d'un photodétecteur multiple PDA, par exemple de type CCD. Ainsi après intégration, chaque pixel du CCD délivre un signal proportionnel au produit de corrélation S(t)*R(t).
En effet :
  • à l'entrée de ces fibres les champs électriques associés aux deux ondes issues de mod1 et mod2 sont de la forme : EZ(Z,t) = E10 S(t) exp(jωt) EZ(Z,t) = E20 R(t) exp(jωt)
  • sur l'élément 1 du photodétecteur multiple, les champs électriques incidents sont devenus :
    Figure 00140001
    Figure 00140002
       où :
       v : est la célérité de la lumière dans la fibre (Δλ est choisie au voisinage d'un minimum de dispersion de la fibre et donc v1 = C/ni = v = cst)
       L : la longueur totale des deux fibres
       IF : la position du réseau réfléchissant λi dans la fibre 2
       wi : la pulsation associée à la longueur λi
       ϕi : le déphasage relatif introduit par SLM1 entre les deux composantes à λi qui interfèrent sur le photodétecteur i.
Dans ce cas, pour un temps d'intégration T, le photocourant délivré par le photodétecteur l est proportionnel à :
Figure 00140003
Sur chaque canal, le déphasage ϕl est ajusté de manière à ce que : 2ωi L - 2liv - ϕi = 2Kπ (K ∈ N)
Ainsi les fluctuations de chemin optique sont compensées au moyen de SLM1. On retrouve donc dans l'expression i1(t) deux premiers termes qui constituent un biais et un troisième terme qui rend compte du produit de corrélation S(t) *R(t).
On donne dans la suite un exemple de réalisation du système et ses dimensions escomptées. La bande passante totale du système est ΔF. Le nombre de canaux ou d'échantillons du signal de corrélation est N.
Dans ce cas, le temps d'intégration vaut au moins : T = 12Δf . N
De même que pour le filtre transverse : li+1 - li = C2n . TN L = N. C2n . 12Δf
Ainsi donc si
   Δf = 20 GHz et N = 103
   T = 25 ns
   li+1-li = 2,5 mm
   L = 2,5 m.
Si po est la puissance optique disponible en sortie de la source laser, la puissance totale optique maximum reçue sur un canal est de l'ordre : Po . Tmod . ηi . ηH . TSLM1 . TSLM2 . 1N    où:
Tmod1 :
: perte d'insertion des modulateurs (∼ 6dB)
ηi :
coefficient de réflexion à λi du réseau photoinduit (∼ 10 %)
ηh :
efficacité de diffraction du réseau dispersif
Tslmk :
coefficient de transmission des modulateurs spatiaux (TSLM1 ∼ 90 %, TSLM2 ∼ 50 %)
Par ailleurs, un pixel de CCD pour un temps d'intégration de 1 ms, permet la détection de 1pW, soit une détectivité de l'ordre de 3.10-2 pW/Hz1/2 Pour un temps d'intégration T le NEP (noise equivalent power) qui correspond à la plus petite puissance détectable, devient donc : NEP = 3.10-14 √ 1/2 T W = 1,4.10-10 W = puissance minimum détectable par canal (La durée de l'intégration n'est pas dans ce cas optimum puisque bien inférieure à la durée de la lecture de la barrette CCD (fréquence de lecture ∼ 20 MHz pour 103 pixels)).
Pour que la dynamique du système soit D il est alors nécessaire d'avoir : PoTmodηiηHTSLM1TSLM2 1N ≥ D.NEP
D'où ici P0 > 140 mW (pour D = 40dB) puissance compatible avec les sources laser état solide pompé diode actuelles. Il faut cependant remarquer qu'il est nécessaire, pour chaque λi de disposer d'une longueur de cohérence supérieure à 2L afin d'obtenir le produit de corrélation. Ainsi dans le cas précédemment décrit (L = 2,5 m) chaque Wi est définie à mieux que 60 MHz. Il semble donc plus réaliste pour cette application d'utiliser un ensemble de sources lasers multidiodes.
Ce corrélateur selon l'invention présente les mêmes avantages que ceux indiqués précédemment pour le dispositif de filtrage. En effet :
  • la corrélation ne nécessite aucune transposition de fréquences des signaux S(t), R(t) ;
  • les contrôles de pondération des différentes composantes du faisceau B5 est reconfigurable à chaque instant ;
  • la non-uniformité du spectre de la source L et de la transmission du système (de la ou des fibres notamment) peut être corrigée par le modulateur spatial SLM.
La figure 7 représente une variante de réalisation de la figure 6. Selon cette variante, la fibre F1 présente une dispersion chromatique sur un domaine de longueur d'onde optique Δλ. Sur le même domaine, la fibre F2 est quasiment exempte de dispersion.
Le dispositif PBS1 situé en sortie de la fibre F1 est en fait un dispositif de réflexion. Le dispositif PBS2 situé en sortie de la fibre F2 permet de combiner les faisceaux issus des fibres F1 et F2. A titre d'exemple sur la figure 7, le dispositif SP situé en entrées des fibres F1, F2 est un séparateur de polarisation. Cependant les faisceaux transmis aux fibres F1, F2 pourraient également être de même direction de polarisation et le dispositif SP pourrait être un séparateur de lumière.
Comme précédemment, les faisceaux superposés issus des fibres F1, F2 sont transmis par le réseau dispersif H et les modulateurs spatiaux de lumière SLM1 et SLM2 au dispositif de détection optique CCD.
Sur chaque élément détecteur de CCD on dispose ainsi du produit :
Figure 00170001
   c'est-à-dire
Figure 00170002
On va maintenant décrire des variations de réalisation applicables de façon générale aux différents dispositifs décrits précédemment.
Selon une première variante, la source laser unique L est remplacée après un ensemble de p sources émettant chacun un spectre Δλ/p. Dans ce cas on utilise un coupleur px1 pour combiner les p sources dans une seule fibre amorce connectée au modulateur mod. On pourra ainsi par exemple, pour N = 1024 utiliser 64 lasers semiconducteurs de quelques mW, émettant chacun 16 modes longitudinaux distants de 0,1 nm.

Claims (12)

  1. Dispositif de traitement optique de signaux électriques, comportant :
    une source optique (L) émettant un faisceau optique (B1) multilongueur d'ondes ;
    au moins un premier modulateur électrooptique (MOD) recevant le faisceau optique (B1) et le modulant à l'aide d'un premier signal électrique à traiter pour fournir un premier faisceau modulé ;
    au moins une première fibre optique (F) recevant le faisceau modulé (B2) et incorporant des moyens de séparation spatiale permettant de transmettre un faisceau (B3) dans lequel les composantes correspondant aux différentes longueurs d'ondes sont retardées les unes par rapport aux autres dans la fibre (F) ;
    un réseau dispersif (H) séparant les différentes longueurs d'ondes contenues dans le faisceau (B3) reçu de la fibre optique (F) et fournissant un faisceau dispersé (B4) dans lequel chaque longueur d'onde est déviée selon une direction qui lui est caractéristique ;
       caractérisé en ce qu'il comporte également un modulateur spatial de lumière reconfigurable (SLM) comportant une pluralité d'éléments de modulation recevant le faisceau dispersé (B4) et commandant le niveau d'intensité optique de différentes directions du faisceau dispersé (B4) et en ce que ladite fibre (F) comporte des réseaux de Bragg, chaque réseau de Bragg ayant un pas déterminé de façon à réfléchir la lumière d'une longueur d'onde déterminée ; et en ce que le dispositif comporte en outre, entre le modulateur (MOD) et la fibre optique (F), un séparateur de faisceau (PBS) permettant de transmettre la lumière réfléchie par les réseaux de Bragg vers le réseau dispersif (H).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de focalisation entre le modulateur spatial de lumière (SLM) et le système de détection optique (PD) pour focaliser le faisceau (B5) traité par le modulateur (SLM), sur le système de détection optique (PD).
  3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique (F) est une fibre optique dispersive.
  4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lumière transmise par le modulateur (MOD) est polarisée selon une direction et en ce que le dispositif comporte, entre le séparateur de faisceau (PBS) et la fibre optique (F), une lame quart d'onde, le séparateur de faisceau étant alors un séparateur de polarisations.
  5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de détection optique (PD) est un photodétecteur optique et en ce que le dispositif comporte un dispositif de focalisation situé entre le modulateur spatial de lumière (SLM) et le système de détection optique.
  6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une première lentille cylindrique (Lc) entre le réseau dispersif (H) et le modulateur spatial de lumière (SLM) ainsi qu'une lentille cylindrique (L'c) symétrique de la première lentille cylindrique par rapport à un modulateur spatial (SLM) et un deuxième réseau dispersif (H') symétrique du premier réseau dispersif par rapport au modulateur spatial (SLM).
  7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le système de détection optique (PD) est une ligne de photodétecteurs et en ce que le dispositif comporte une lentille cylindrique comprise entre le modulateur spatial de lumière et le système de détection optique (PD).
  8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième modulateur électrooptique (MOD2) recevant également le faisceau optique multilongueur d'ondes et le modulant à l'aide d'un deuxième signal électrique à traiter pour fournir un deuxième faisceau modulé, ce deuxième faisceau modulé étant superposé au premier faisceau modulé avant transmission au réseau dispersif.
  9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le deuxième modulateur électrooptique (MOD2) est situé entre la fibre optique (F) et le réseau dispersif (H).
  10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le deuxième modulateur électrooptique (MOD2) reçoit en parallèle avec le premier modulateur électrooptique (MOD1) le faisceau optique multilongueur d'onde et qu'il le retransmet à une deuxième fibre optique comportant également des moyens permettant de retarder de manière différente les différentes longueurs d'ondes ; les faisceaux issus des deux fibres optiques étant transmis à un système de couplage (PBS1, PBS2) qui les combine et les retransmet au réseau dispersif.
  11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les deux fibres optiques comportent des réseaux de Bragg, chaque réseau de Bragg ayant un pas déterminé de façon à réfléchir la lumière d'une longueur d'onde déterminée ; et en ce que le dispositif comporte en outre les modulateurs (MOD1, MOD2) et les fibres optiques (F1, F2), des séparateurs de faisceaux (PBS1, PBS2) permettant de transmettre la lumière réfléchie par les réseaux de Bragg vers le réseau dispersif.
  12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la lumière transmise par les modulateurs (MOD1, MOD2) est polarisée selon une direction et en ce que le dispositif comporte une lame quart d'onde située entre les séparateurs de faisceaux (PBS1, PBS2) et les fibres (F1, F2), les séparateurs de faisceaux (PBS1, PBS2) étant alors des séparateurs de polarisations.
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