Brevet FR2261548A1 — publié le 19750912

La présente invention concerne un modulateur optique de phase ou d'amplitude qui est sensiblement immunisé par rapport aux effets thermiques de charge d'espace. Les modulateurs optiques sont particulièrement adaptés à être utilisés dans des dispositifs de télécommunication optiques ou dans des dispositifs de mesure optiques. Ils peuvent également être utilisés comme modulateurs intracavité pour la commutation de facteur de qualité (Q switch) et lè blocage de mode (mode locking) des oscillateurs laser. Dans un modulateur optique classique, un faisceau lumineux polarisé linéairement passe par un cristal électro-optique et un analyseur. L'axe optique de l'analyseur est perpendiculaire au plan de polarisation incident du faisceau lumineux tandis que le cristal électro-optique a ses axes à 450. Le cristal présente unexdouble réfraction ou biréfringence quand il est soumis à un champ électrique élevé. Le retard de phase relatif entre les composants ordinaire et extraordinaire des ondes lumineuses polarisées respectivement de façon orthogonale et parallèle à l'axe optique du cristal électro-optique est fonction de l'intensité du champ électrique provenant d'une tension appliquée ainsi que d'autres paramètres tels que la température du cristal et sa biréfringence naturelle.Dans certaines conditions, la tension appliquée entratne un retard de phase relatif entre les deux composantes égal à zéro ou à un multiple de 2 S~radians. En ce cas, la polarisation du faisceau lumineux n'est pas affectée par le passage à travers le cristal électro-optique et en supposant l'analyseur parfait, le faisceau de sortie sera complètement bloqué par un analyseur. Quand la tension appliquée entralne un retard de phase relatif qui est un multiple entier de radians entre les deux composantes, le faisceau lumineux incident sera tourné à 90" et ce faisceau lumineux sera complètement transmis par ltanalyseur. En pratique, un blocage parfait ou une transmission parfaite du faisceau lumineux incident ne peut pas être atteint et le rapport entre les intensités maximale et minimale de la lumière transmise est appelé le taux d'extinction. A des fréquences de modulation élevées, le taux dtextinction chute en raison de deux facteurs principaux. D'abord la quantité de biréfringence change avec la température du cristal électro-optique par suite des pertes diélectriques dans celui-ci. Pour pallier cet inconvénient, la température du cristal doit être commandée dans des limites très étroites. Par exemple, dans un article ayant pour titre : "Terminals for a High-Speed Optical Pulse Code Modulation Communication System: 1.224-Mbit/s Single Channel" de Richard T. Denton and Tracy S.Kinsel; paru dans "Proceedings of the IEEEtt, Volume 56, N" 2, février 1968, pages 140-145; il est établi que la température d'un cristal de LiTa03 utilisé dans un modulateur électro-optique doit être commandée et uniforme à t 0,0250C près de façon à maintenir un taux d'extinction inférieur à 0,01 (-20 dB). Deuxièmement, l'ef- fet électro-optique n'est pas uniforme sur la section du faisceau lumineux. Cette non-uniformité est provoquée par de nombreux facteurs tels que des variations locales de température dans le cristal, des inhomogénéités du cristal, et l'effet de distribution de charges d'espace provoqué par le champ électrique dans certains types de cristaux électro-optiques. La présente invention utilise l'annulation de phase pour éliminer sensiblement ces effets, et se base sur le temps de transit requis pour que le faisceau lumineux traverse le modulateur pour fournir la modulation nécessaire. Ainsi, selon la présente invention, il est prévu un modulateur électro-optique comprenant la combinaison optique d'un séparateur (ou diviseur) de faisceau pour séparer la lumière qui revient de celle qui est incidente à partir d'une source lumineuse polarisée, d'une lame quart d'onde et d'un miroir qui en combinaison réfléchissent la lumière incidente et introduisent un déphasage relatif de 1800 des composantes du faisceau lumineux; et d'un dispositif à biréfringence variable situé entre le séparateur de faisceau et la lame quart d'onde pour faire varier la phase relative des composantes ordinaire et extraordinaire de la lumière polarisée transmise à travers celui-ci.Le temps de transmission optique depuis le dispositif à biréfringence variable par l'intermédiai- re de la lame quart d'onde vers le miroir et en sens inverse est au moins supérieur au temps nécessaire pour changer la biréfringence du dispositif. Par suite, le déphasage relatif d'ensemble des composantes ordinaire et extraordinaire de la lumière polarisée dans le modulateur résulte sensiblement uniquement du changement de biréfringence du dispositif. En conséquence, une compensation sensiblement totale des effets de charge d'espace et de température est obtenue pourvue que la biréfringence naturelle du dispositif reste constante sur la période de temps prise par le faisceau lumineux pour aller du dispositif à la lame vers le miroir et dans le sens inverse. Dans un mode de réalisation particulier, l'axe optique du dispositif est orienté à un angle de 5 /4 radian par rapport à celui de la source et de la lame quart d'onde. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif est un cristal optique et le séparateur de faisceau est un séparateur de polarisation ayant son axe optique d'entrée parallèle à celui d'une source lumineuse polarisée linéairement, de sorte que seule la composante de la lumière de retour qui est orthogonale à la lumière incidente,sort fournissant par là une lumière modulée en amplitude à la sortie du modulateur optique. Ces obJets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation faite en relation avec les dessins Joints dans lesquels La figure 1 est un schéma partiellement sous forme de blocs d'un modulateur optique selon la présente invention, et La figure 2 représente une série de vecteurs lumineux en fonction du temps à divers emplacements du modulateur optique représenté en figure 1. En se référant à la figure 1, le modulateur optique comprend la combinaison optique d'un séparateur de polarisation 10 (qui agit comme séparateur de faisceau) dont la sortie est couplée à un cristal électro-optique 11 (qui agit comme dispositif à biréfringence variable quand il est excité par une commande de modulation 12). La sortie du cristal ll passe par une lame quart d'onde 13 vers un miroir diélectrique totalement réflecteur 14. En fonctionnement, le modulateur optique est lié à une source de lumière polarisée qui consiste en une source lumineuse 15 dont la sortie est envoyée par l'intermédiaire d'un polariseur 16. Comme cela est représenté en figure 1, l'orientation de l'axe optique du cristal optique 11 est à 450 par rapport à celle du polariseur 16 et de la lame quart d'onde 13. L'axe optique incident du séparateur de polarisation 10 est parallèle à celui du polariseur 16, tandis que son axe optique de retour est orthogonal à celui du polariseur 16. L'emplacement de chacun des diagrammes vectoriels représentés en figure 2 est désigné par une référence correspondante en figure 1 (A à F). Au cours du fonctionnement du modulateur optique, un faisceau lumineux en provenance de la source 15 est envoyé par l'intermédiaire du polariseur 16 pour fournir un faisceau lumineux polarisé verticalement 17. Le faisceau lumineux incident 17 passe par le séparateur de polarisation 10, suivi par le cristal électrooptique 11, la lame quart d'onde 13 et le miroir diélectrique 14. Le faisceau 17, réfléchi par le miroir 14, repasse par la lame quart d'onde 13, le cristal électro-optique 11, et pénètre ensuite dans le séparateur de polarisation 10. Les composantes du faisceau de retour qui sont polarisées horizontalement sont réfléchies vers le bas et sortent comme un faisceau lumineux de sortie modulé 18, tandis que les composantes orientées verticalement sont retransmises vers La source 15. Comme cela est représenté dans le schéma A de la figure 2, le faisceau lumineux polarisé linéairement de façon verticale en provenance du polariseur 16 passe par l'intermédiaire du séparateur de polarisation 10 et est représenté comne des vecteurs in cidents Iî et I2 séparés en phase de 1r radians. Les vecteurs Il et 12 peuvent être résolus (c'est-8-dire représentés de façon équi- valente) en vecteurs Oi > E1 et 02, E2 qui sont parallèles à l'axe du cristal 11.Si à un instant donné, une tension particulière est appliquée à partir de la commande de modulation 12 au cristal électro-optique 11, les rayons ordinaires Oî et 02 sortiront du cristal 11 avec un retard de phase g par rapport aux rayons extraordinaires E1 et E2 comme cela est respectivement représenté dans le schéma B de la figure 2. Les composantes ordinaires 0D, 04, 05 et 6 et extraordinaires E3, E4, E5 et E6 de ces rayons sont incidentes à la lame quart d'onde 13 et les premiers en sortent avec un retard de phase supplémentaire de -/2 radians par rapport aux derniers, comme cela est représenté dans le schéma C de la figure 2.Après ayoir été réfléchies par le miroir diélectrique 14; les diverses composantes 0,, 04 > 05 > 06 > En, E, E5 et E6 prennent la relation de phase représentée dans le schéma D de la figure 2. Après avoir passé à nouveau à travers la lame quart d'onde 13, un déphasage supplémentaire de cil/2 radians est produit de sorte que les composantes 03 et 04 sont maintenant en phase avec les composantes E5 et E6 respectivement. Les composantes vectorielles 07 et 08 ont également été retardées de solus en vecteurs 10' 011, 0 . E10 et E1l qui auront à nouveau un retard de phase de radians entre eux,comme cela est représente dans le schéma E de la figure 2. Toutefois, il faut noter que ces vecteurs sont déphasés de 1800 par rapport à ceux représentés dans le schéma B et se déplacent dans le sens opposé. Si aucun changement de biréfringence ne se produit dans le cristal électro-optique 11, les vecteurs 0,0 et 11 subi ront à nouveau un retard g après être repassés par le cristal 11, et en conséquence sortiront en phase avec les vecteurs E10 et E11 respectivement, comme cela est représenté dans le schéma P de la figure 2. Ces vecteurs peuvent alors être résolus en vecteurs résultants polarisés verticalement R1 et R. L'effet d'ensemble de la combinaison du cristal optique 11, de la lame quart d'onde 13 et du miroir 14 est équivalent à une lame quart d'onde orientée avec son axe optique parallèle à l'axe optique de la lame quart d'onde 13.Cet effet est complètement indépendant du retard de phase g introduit par le cristal électro-optique 11, que ce retard soit dû à une biréfringence naturelle ou induite. Pour obtenir la modulation du faisceau lumineux 17, le modulateur optique utilise le temps fini pris par les ondes lumineuses pour se propager depuis le cristal optique Il vers le miroir 14 et en sens inverse. Ainsi, si pendant l'intervalle de temps pris par les ondes lumineuses pour se propager entre les schémas B et E, la tension appliquée au cristal électro-optique 11 à partir de la commande de modulation 12 est modifiée, le déphasage g au pas- sage de retour par le cristal 11 sera différent de celui pendant le passage initial. En conséquence, les vecteurs 10 et 11 ne seront plus en phase avec les vecteurs E10 et E11 comme cela est représenté dans le schéma F et les vecteurs résultants R1 et R2 ne seront plus orientés verticalement.Après tre revenue dans le séparateur de polarisation 10; la composante horizontale des vecteurs résultants R1 et R2 sera réfléchie vers le bas de façon à fournir un faisceau lumineux modulé en amplitude 18 tandis que la composante verticale sera transmise vers l'arrière en direction de la source 15. Dans ce qui précède, on suppose que le temps requis-pour que le faisceau lumineux 17 se propage dans le cristal électro-optique 11 est négligeable par rapport au temps requis pour qu'il passe du cristal 11 au miroir 14 et revienne. Mais, on notera que la présente invention s'applique également au cas où la con- dition ci-dessus n'est pas remplie. I1 est clair à partir de la figure 2 que la modulation de phase d'ensemble du faisceau lumineux résultant 18 est provoquée seulement par le changement de biréfringence du cristal électro-optique 11 pendant le temps requis pour que le faisceau lumineux se propage du cristal ll au miroir 14 et revienne. Tout changement de biréfringence qui survient pendant des durées supérieures à celles-ci ne contribue pas au retard de phase d'ensemble du faisceau réfléchi 18. Dans le cas de distances pratiques entre le cristal électro-optique 11 et le miroir 14, cet intervalle de temps est très inférieur aux constantes de temps associées aux effets thermiques et de charge d'espace dans le cristal électro-optique 11.En conséquence, les effets thermiques et de charge d'espace sont sensiblement compensées et ne contribuent pas nettement au retard de phase du faisceau de sortie 18. Dans un agencement typique, le temps maximum requis pour modifier la biréfringence du cristal il par la commande de modulation 12 est de 10 nanosecondes et la distance entre le cristal 11 et le miroir 14 est de 1,5 mètre. I1 sera clair que d'autres variantes de dispositifs à biréfringence variable telles que des cellules magnéto-optiques peuvent être substituées au cristal électro-optique 11. En outre, le séparateur de polarisation 10 réfléchit seulement la composante horizontale du faisceau lumineux réfléchi 18. En substituant un séparateur de faisceau non polarisant tel qu'un miroir partiellement réflecteur, le faisceau de sortie 18 sera modulé en phase plutôt qu'en amplitude. Si, quand on utilise le séparateur de polarisation 10, le changement de tension appliquée au cristal électro-optique 11, est suffisant pour provoquer un déphasage de 900 du faisceau réfléchi 18 par rapport au faisceau incident 17, une modulation en impulsions sera obtenue. De même, la présente invention n'est pas limitée à des faisceaux polarisés linéairement pas plus que les axes des divers composants ne doivent nécessairement être orientés comme cela est représenté dans le mode de réalisation de la figure 1. Ces autres configurations entraîneront diverses formes de polarisations elliptiques comme cela est bien connu. On notera également que la combinaison de la lame quart d'onde 13 et du miroir 14 peut être remplacée par tous autres composants optiques qui fourniront le déphasage nécessaire et introduiront un retard pour diminuer la dimension physique du modula teur La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de quart. REVENDICATION Modulateur optique destiné à être associé à une source lumineuse polarisée linéairement > comprenant en combinaison optique un séparateur de faisceau pour partageur le faisceau lumineux polarisé linéairement qui revient de celui qui entre, un miroir, et un dispositif à biréfringence variable situé entre le séparateur de faisceau et le miroir caractérisé en ce qu'il comprend en outre - une lame quart d'onde situé entre le dispositif à biréfringence variable et le miroir; l'axe optique du dispositif biréfringent faisant un angle de fui/4 radian par rapport à celui de la source de lumière polarisée linéairement et de la lame quart d'onde, et le temps de transmission total du dispositif biréfringent par l'intermédiaire de lame quart d'onde au miroir et en sens inverse étant au moins aussi grand que le temps requis pour modifier la biréfringence du dispositif, d'où il résulte que le déphasage relatif des composantes ordinaire et extraordinaire du faisceau polarisé dans le modulateur résulte sensiblement uniquement du changement de biréfringence du dispositif.