Brevet FR2010324A1 — publié le 19700213

i 2010324 La présente invention se rapporte à des lignes de transmission actives permettant la propagation efficace d'une énergie par ondes électromagnétiques. L'apparition du laser comme source d'énergie par ondes élec-5 tromagnétiques extrêmement cohérente et monochromatique dans les parties infrarouge, visible et ultraviolette du spectre des fréquences, appelées ci-après collectivement les ondes optiques, donne la possibilité d'utiliser ces ondes comme signal porteur dans un système de communication. Cependant, l'utilisation de ces 10 ondes de cette manière dépend de la possibilité de disposer d'un milieu de transmission efficace. Suivant la présente invention, on utilise des techniques de laser pour réduire l'affaiblissement net des guides d'ondes diélectriques. En particulier, l'élément diélectrique de guidage 15 principal est dopé d'une manière appropriée avec une matière de laser active capable de présenter une émission stimulée à la fréquence de fonctionnement. L'amplification du signal due à l'effet du laser est obtenue en pompant longitudinalement des parties espacées de la ligne de transmission avec l'un quelconque 20 d'une diversité de moyens comprenant des diodes S injection et des matières électroluminescentes. En choisissant d'une manière appropriée l'espacement entre les régions pompées et leurs longueurs, le gain total produit sur un intervalle étendu de la ligne de transmission peut être rendu sensiblement égal à la 25 perte de transmission dans la partie passive de la ligne, sur le même intervalle. Par exemple, suivant la présente invention, les pertes nettes dans une longueur de 100 mètres d'une ligne de transmission diélectrique présentant un affaiblissement de l'ordre de 0,1 db/mètre peuvent être réduite^ une faible valeur 30 finie au moyen de vingt régions de laser produisant chacune un gain net de 10 db par région. D'une manière avantageuse, la ligne est conçue de façon à présenter un certain affaiblissement faible, mais fini. La totalité de la ligne de transmission, y compris les sour-35 ces de pompage, peut être réalisée sous la forme d'un ensemble complet et d'une seule pièce en utilisant des dispositifs à l'état solide ainsi que les techniques qui leursDnt associées. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront au cours de la description détaillée qui va 69 16716 2 2010324 * suivre, faite en retard des dessins annexés qui donnent à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation conformes à l'invention. Sur ces dessins, 5 la figure 1 représente un système de transmission comprenant line ligne de transmission active ; la figure 2 représente un premier mode de réalisation d'une ligne de transmission active utilisant un pompage par diode d'injection ; 10 la figure 3 représente un second mode de réalisation d'une li gne de transmission active utilisant une matière électroluminescente comme source de pompage ; la figure 4 représente une variante d'agencement du mode de réalisation de la figure 2 ; 15 la figure 5 représente un mode de réalisation de l'invention dans lequel la répartition transversale de la matière du laser est limitée ; et la figure 6 représente un autre type de ligne de transmission dans laquelle la présente invention peut être mise en prati-20 que. En se reportant aux dessins, la figure 1 représente un système de communication optique type comprenant à l'extrémité d'entrée du système une source 10 d'énergie en ondes optiques et facultativement un modulateur 11 couplé à l'extrémité d'entrée d'une 25 ligne de transmission active 12 d'un type qui sera décrit plus en détail ci-après. A l'extrémité de sortie de la ligne de transmission 12, l'énergie en ondes de la ligne 12 est dirigée vers une forme quelconque d'appareil de sortie 14. 30 La ligne de transmission 12 est caractérisée comme ëtant une ligne de transmission "active" pour la distinguer de la ligne de transmission habituelle, qui, au contraire, est passive, et pour la distinguer d'une ligne de transmission qui autrement est passive et le long de laquelle sont interposés des amplificateurs 35 répéteurs. Dans une ligne de transmission active suivant la présente invention, c'est la ligne elle-même qui est réalisée de façon à présenter un gain plutôt qu'en disposant un amplificateur nettement séparé entre les sections de la ligne. C'est ainsi que sur la figure 1, la ligne de transmission est représentée comme 69 16716 3 2010324 comprenant des régions passives 1 et des régions actives 2, mais dans chaque cas c'est la ligne elle-même qui est caractérisée. Ceci est représenté plus clairement sur la figure 2, qui donne une vue plus détaillée d'une partie de la ligne 12» 5 La figure 2 représente un agencement comprenant un guide d'ondes diélectrique 20. Le guide d'ondes diélectrique 20 est réalisé en une matière diélectrique à faible perte dont la constante diélectrique et, de ce fait, l'indice de rëfracclon est maximum au centre et diminue jusqu'à un minimum â l'endroit du 10 bord extérieur du guide. Cette diminution peut être continue, ou bien elle peut être obtenue par un ou plusieurs échelons distincts. La totalité ou une partie de la matière du guide d'ondes2Ô sert, de plus, comme matière réceptrice pour les ions du laser. Ces derniers sont choisis de manière à produire un gain par l'in-15 termédiaire d'une émission stimulée à la fréquence particulière intéressante lorsqu'ils sont pompés, mais de manière à ne présenter que très peu de perte lorsqu'ils ne sont pas pompés. Cette • dernière condition est satisfaite par des matières de laser à quatre niveaux dans lesquels le niveau inférieur est dépeuplé 20 d'une façon caractéristique. Des exemples de ces matières sont donnés par les terres rares, le néodymium, l'holmium et le thu-lium. Divers exemples de matières de laser appropriées, de matières réceptrices et leurs longueurs d'ondes de laser sont donnés dans un article par E. Switzer intitulé "Glass Laser", 25 publié dans le numéro d'octobre 1966 de Proceedings of the Insti-tute of Electrical and Electronic Engineers, pages 1249 à 1261. D'une manière typique, la source optique et le guide d'ondes seraient réalisés avec la même matière de laser. Le guide d'ondes 20, qui contient des ions lasers, reste pas-30 «if en l'absence de toute énergie de pompage appropriée. Le gain est obtenu en disposant des moyens de pompage 21 à des intervalles espacés le long du guide d'ondeSoDans l'agencement représenté sur la figure 2, l'énergie de pompage est fournie par une diode à injection 26 qui est disposéeconcentriquemënt par rapport 35 à une région du guide d'onde^O et qui l'entoure complètement. En particulier, la diode à injection comprend une électrode intérieure transparente et mince 22 en contact ohmique avec un premier côté 23 de la diode 26. Une électrode extérieure réfléchissante 25 est en contact ohmique avec l'autre côté 24 de la diode 26. 69 16716 4 2010324 * Les deux côtés 23 et 24 forment à leur tour entre eux une jonction p- n. Une source 27 de courant continu polarise en sens direct la diode 26 d'une manière suffisante pour produire l'émission. Cette dernière émission est transmise à travers l'élec-5 trode 22 et pompe la région du guide d'ondes 20 qui s'étend sur la même longueur que le moyen de pompage 21 pour former un amplificateur à laser qui constitue un élément solidaire de la ligne de transmission 12. Comme exemple, des fibres de verre dopées avec du néodymium peuvent être ponpées par le rayonnement 10 incohérent de 0,9émis par une jonction p - n de gallium et d'arséniure. L'effet de laser résultant amplifie l'énergie du signal à environ 283 x lO1^ Hz, ou 1,06. Pour d'autres matières particulières et d'autres fréquences de fonctionnement, voir l'article précité de E. Switzer. 15 La figure 3 représente un autre agencement de pompage qui utilise l'émission provenant d'une matière électroluminescente comme énergie de pompage. Dans cet agencement le guide d'ondes diélectrique 30, qui est dopé d'une manière appropriée avec des ions de laser, est entouré par une matière électroluminescente 20 31. Cette dernière est choisie suivant les besoins de pompage du guide d'ondes. Pour une liste des matières électroluminescentes et de leurs fréquences d'émission, voir "Electroluminescence and Semiconductors Lasers" par F. Ivey, publié dans le numéro de Novembre 1966 de Instltute of Electrlcal and Electronic Engineers 25 Journal of Quantum Electronics, pages 713-725. Pour une description plus détaillée des effets de 1'électroluminescence, voir "Electroluminescence and Related Effects, par H.F. Ivey, publié par Academic Presse, 1963, et "Electroluminescence" par H.K. Henisch, The MacMillan Company, 196 2. 30 Comme premier exemple, pour un guide d'ondes en verre dopé par du néodymium, la matière électroluminescente peut être une solution solide de zinc et de séléniure de cadmium, avec du cuivre comme dopant. Il est évident que.d'autres matières actives peuvent remplacer le néodymium avec des modifications appropriées 35 de la longueur d'onde de pompage. Une excitation est appliquée à la matière électroluminescente au moyen de deux électrodes métalliques 32 et 33 qui sont con-nectëes à une source de courant alternatif 34. La fréquence de la source 34 est par exemple dans la gamme des fréquences sonores, 69 16716 5 2010324 et elle est comprise entre 100 et 1000 hertz. Une autre matière luminescente pouvant être utilisée pour pomper le néodymium est un sulfure de zinc et de mercure avec des traces de cuivre et de chlore (Zn - Hg) S : Cu (0,2%) : Cl (0,075%). 5 Cependant, cette matière ne peut être mise dans du verre mais peut être en suspension dans de l'huile de ricin. Une structure appropriée pour une telle ligne est représentée sur la figure 4. Sur la figure 4, la ligne de transmission 40 est entourée par une série de tubes creux 41 dont chacun d'eux est rempli par 10 une suspension dans l'huile d'une matière électroluminescente. Les tubes peuvent s'étendre sur toute la longueur de la ligne de transmission ou bien ils peuvent être disposés à des intervalles espacés longitudinalement le long de la ligne. L'excitation est fournie par une source de courant alternatif 42 qui est connectée 15 à deux électrodes semi-cylindriques 43 et 44 qui entourent les tubes. Dans la description ci-dessus, la ligne de transmission 12 est représentée comme comprenant un seul trajet pour les aides. Il va de soi, cependant, que les dimensions en section droite 20 d'un trajet type pour une onde optique sont seulement de l'ordre de quelques dizaines de microns. De ce fait,une ligne de transmission pratique comporterait d'une façon avantageuse une série de guides d'ondes diélectriques individuels disposés sousla forme d'un faisceau. 25 On a indiqué plus haut que les ions lasers étaient répartis sur toute la longueur de la ligne de transmission. Ceci tend à donner une certaine souplesse par le fait qu'une/source de pompage peut être disposée n'importe où le long de la ligne pour obtenir un effet de laser. Cependant, il convient de se rendre 30 compte que la ligne peut être fabriquée de telle sorte que les ions lasers ne sont incorporés qu'à des emplacements prescrits le long de la ligne. C'est-à-dire que la répartition longitudinale des ions lasers peut être limitée uniquement aux régions de la ligne de transmission qui doivent être pompées. Ce procédé 35 serait nécessaire dans les cas où la matière du laser non pompée est extrêmement absorbante à la fréquence des signaux. Il convient également de noter que la répartition transversale des ions lasers peut également être limitée. Dans un guide d'ondes diélectrique du type décrit plus haut, l'indice de 69 16716 6 2010324 * réfraction diminue depuis un maximum au centre jusqu'à un minimum à l'endroit du bord extérieur. D'une façon correspondante, la répartition de l'énergie électromagnétique tend à être la plus grande dans la partie intérieure du guide d'ondes et beaucoup 5 plus faible à l'endroit des bords extérieurs du guide. De ce fait, a c'est seulement dans la partie intérieure du guide d'ondes que la matière du laser doit être disposée. C'est ainsi que par exemple dans un guide 56 qu'on voit sur la figure 5, qui comprend deux cylindres diélectriques concentriques 51 et 52 et un moyen de 10 pompage 54, il suffit en général que le cylindre intérieur 51 contienne la matière active du laser. De même, si un guide d'ondes comprend plus de deux cylindres concentriques, ou si l'indice de réfraction diminue d'une façon continue seuls les cylindres intérieurs ou la partie intérieure du guide d'ondes à diminution 15 continue doivent contenir la matière du laser. Dans les agencements des figures 3 et 4, on a représenté la matière électroluminescente sous la forme d'un élément distinct. Il est évident, cependant, que la matière électroluminescente peut être noyée à l'intérieur de la matière diélectrique du guide 20 d'ondes. C'est ainsi que sur la figure 5, le cylindre 51 de l'âme peut comprendre la matière du laser et le cylindre extérieur 52 peut comprendre la matière électroluminescente. En variante, à la fois la matière du laser et la matière électroluminescente peuvent être réparties à travers la totalité des deux 25 cylindres. L'agencement précis utilisé pour toute application particulière serait fonction d'un grand nombre de facteurs, comprenant le procédé de fabrication utilisé pour fabriquer la ligne de transmission et son prix. Les principes de la présente invention peuvent être appliqués 30 facilement à d'autres types de structures de guide d'ondes, comme on le voit sur la figure 6. Dans cet agencement la répartition voulue de l'indice de réfraction est obtenue d'une manière effective en modifiant la symétrie du trajet offert aux ondes. En conséquence, sur la figure 6, la ligne de transmission 60 35 comprend un cylindre circulaire creux 61 à l'intérieur duquel est disposée une feuille mince 62 d'une matière diélectrique. La feuille, qui est transparente à la fréquence de fonctionnement, s'étend diamétralement en travers du cylindre 61 et est tordue autour de l'axe du cylindre à mesure qu'elle s'étend dans 69 16716 7 2010324 le sens longitudinal. De plus, la feuille contient une matière de laser appropriée pour produire une amplification suivant la présente invention. Dans l'agencement de la figure 6, le cylindre 61 comprend une matière électroluminescente qui est ac-5 tivée dans des régions espacées longitudinalement au moyen d'électrodes 63 et 64 et d'une source de courant alternatif 65. En variante, on peut utiliser d'autres moyens de pompage, tels que des diodes à injection agencées comme représenté sur la figure 2. 10 II va de soi que la présente invention n'a été décrite et re présentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. LEGENDE DES DESSINS 15 Figures Repères 2,3,4 A Direction de propagation des ondes. 69 16716 8 2010324 * REVENDICATIONS 1. Ligne de transmission (12) pour guider une énergie par ondes électromagnétiques, comprenant une matière diélectrique allongée (20), caractérisée en ce que la matière diélectrique (20) 5 contient une matière de laser active pouvant être pompée et pouvant ensuite réaliser une émission à la fréquence de l'énergie par ondes électromagnétiques, et un moyen (21) réparti le long de la ligne de transmission servant à pomper des régions espacées longi-tudinalement de la ligne. 10 2. Ligne de transmission suivant la revendication 1, caracté risée en ce que chacun des moyens de pompage comprend une diode à injection. 3. Ligne de transmission suivant la revendication 2, caractérisée en ce que chacune des diodes entoure complètement une région 15 de la ligne. 4. Ligne de transmission suivant la revendication 1, caractérisée en ce que chacun des moyens de pompage est constitué par une matière électroluminescente. 5. Ligne de transmission suivant la revendication 1, caractê- 20 risée en ce que la matière de laser est répartie longitudinale- ment le long de la totalité de la ligne. 6. Ligne de transmission suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la matière de laser est répartie longitudinalement le long de régions choisies de la ligne. 25 7. Ligne de transmission suivant la revendication 1, caracté risée en ce que la matière de laser est répartie transversalement à travers la totalité de la ligne. 8. Ligne de transmission suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la matière de laser n'est répartie transversalement 30 qu'à l'intérieur d'une partie intérieure de la ligne. 9. Ligne de transmission suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la matière électroluminescente est séparée de la ligne. 10. Ligne de transmission suivant la revendication 4, caractê- 35 risée en ce que la matière électroluminescente est contenue à l'intérieur de la matière diélectrique de la ligne de transmission.