Brevet FR2317826A1 — publié le 19770204

La présente invention concerne l'égalisation de la dispersion chromatique des impulsions dans les fibres optiques, en particulier pour des faisceaux lumineux de grande largeur de bande spectrale émis par des diodes photo-émettrices. La vitesse de groupe d'une impulsion se déplaçant le long d'une fibre optique varie avec la longueur d'onde et un signal polychromatique est distordu par dispersion. En particulier la dispersion chromatique a lieu en raison de la variation de vitesse de groupe en fonction de la fréquence. Une des causes de cette dispersion réside dans la matière constituant la fibre optique et pour des signaux lumineux polychromatiques l'effet de la matière devient notable. Ainsi, pour une gamme de 8.500 à 9.000 A le retard différentiel sur une largeur spectrale de 100 A est d'environ une ns/km pour de la silice fondue, tandis que d'autres verres peuvent provoquer des dispersions allant jusqu'à deux fois cette valeur. Pour une impulsion en provenance d'une diode photo-émettrice, une dispersion de 2 à 10 ns/km peut avoir lieu dans une fibre optique. La présente invention diminue les dispersions d'impulsions en divisant le faisceau lumineux reçu en secteurs de longueurs d'onde différentes, en détectant de tels secteurs, en appliquant des retards variés aux signaux des détecteurs et en recombinant alors les signaux. Ainsi, selon une caractéristique de la présente invention un procédé d'égalisation de la dispersion chromatique des impulsions d'un faisceau lumineux dans une fibre optique comprend les étapes consistant à disperser le faisceau lumineux reçu en un spectre ayant des secteurs de diverses longueurs d'ondes, à détecter les secteurs et à produire un signal à partir de chaque signal, à retarder chaque signal et à combiner les signaux pour fournir une sortie. Par exemple, le faisceau peut être dispersé pour former un éventail de rayons frappant une surface plane, les secteurs se trouvant à diverses positions sur la surface plane. Les rayons, peuvent frapper alternativement plusieurs filtres optiques ou un photodétecteur à sections multiples. A nouveau, le spectre peut Autre formé aux extrémités de plusieurs lignes à retard optique de longueurs différentes. Des moyens de retard électroniques peuvent également être utilisés. Une autre alternative consiste à faire arriver le faisceau lumineux dispersé sur une couche supérieure d'un détecteur PIN ayant une épaisseur de couche intermédiaire I déserte qui augmente avec sa longueur. Selon une autre caractéristique de la présente invention, l'appareil pour egaliser la dispersion chromatique des impulsions d'un faisceau lumineux dans une fibre optique comprend des moyens pour disperser le faisceau lumineux en un spectre, des moyens pour détecter diverses portions du spectre pour produire un signal ayant trait à chaque portion, des moyens pour appliquer un retard temporel à chaque signal et des moyens pour combiner les signaux en une sortie. Divers moyens existent pour disperser le faisceau lumineux tels qu'un spectromètre, un réseau et analogue. Les détecteurs peuvent par exemple être des filtres optiques, un photodétecteur à sec tires multiples ou plusieurs fibres optiques.Quand on utilise des fibres optiques comme détecteurs, elles peuvent également être utilisées comme moyen de retard en modifiant les longueurs des fibres. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation préférés faite en relation avec les dessins joints dans lesquels La figure 1 représente un agencement spectrographique pour produire un affichage spatial du spectre de longueurs d'onde; La figure 2 représente une variante de réalisation pour obtenir la dispersion d'un faisceau lumineux en un spectre de longueur d'onde; La figure 3 est une vue de l'agencement de la figure 2 dans la direction de la flèche A; La figure 4 représente une variante de l'affichage; La figure 5 représente une structure de retard; La figure 6 représente une variante de structure de retard; et La figure 7 représente une autre variante de structure de retard. La figure 1 représente une fibre optique ou un faisceau de fibres 10 à partir duquel sort un faisceau lumineux divergent 11. Ce faisceau 11 est collimaté par un objectif 12 après quoi le fais- ceau traverse un prisme 15. Le prisme 15 disperse angulairement le faisceau dans le plan du dessin, pour former un éventail divergent de rayons 14. Un rayon lumineux dans l'éventail des rayons 14 a une direction angulaire relative à celle des autres rayons qui dépend de la longueur d'onde. En utilisant un prisme, la déviation angulaire augmente quand la longueur d'onde diminue. Une variante pour obtenir l'éventail divergent des rayons 14 consiste à utiliser des réseaux de diffraction plans transmissifs ou réflecteurs. L'éventail divergent de rayons 14 passe à travers l'obJec- tif 15 et est affiché en tant que spectrogramme sur le plan 16. Dans l'éventail des rayons 14, le rayon extrême 19 et tous les rayons qui lui sont parallèles sont focalisés à la position 18.De même le rayon extrême 17 et tous les rayons qui lui sont parallèles sont focalisés à la position 20. La description précédente d'un spectromètre simple est donnée à titre d'exemple seulement et d'autres formes connues utilisant des réseaux de diffraction plan ou concave et des lentilles cylindriques par exemple peuvent être utilisés. Une autre variante pour produire la dispersion angulaire d'un faisceau lumineux consiste à coupler ce faisceau lumineux dans un guide d'onde mince par des procédés connus et à placer un réseau à pas variable dans le plan au-dessus ou en-dessous de la couche de guidage (brevet américain nO 3.814.498). Le spectre d'un faisceau lumineux peut également être analysé par filtrage. Les figures 2, 3 et 4 représentent un dispositif dans lequel un faisceau lumineux en provenance d'une fibre optique ou d'un faisceau de fibres optiques 10 frappe plusieurs filtres optiques 25 à 30 selon une configuration prédéterminée. Chaque filtre est du type passe-bande, transmettant un intervalle différent du spectre. Des procédés pour déterminer de tels filtres sont bien connus et, par exemple, des filtres interférentiels à couches diélectriques multiples peuvent être utilisés. En figures 2 et 3, le faisceau lumineux forme une configuration circulaire sur un réseau circulaire de filtres, tandis qu'en figure 4 une configuration et un réseau linéaire de filtres sont utilisés, tels qu'une configuration linéaire produite par un dispositif optique approprié. Au lieu d'une série de filtres individuels ou discrets en figure 4, un filtre unique ayant une bande passante variant continuement selon la direction de longueur du filtre pourrait Autre utilisée. Un filtrage du faisceau et une détection simultanée d'une partie particulière du spectre à des positions prédéterminées du spectre peuvent être réalisés avec un photodétecteur à plusieurs sections, par exemple comme cela est décrit et représenté dans la demande de brevet canadien n" 209.401 déposée le 17 septembre 1974 par la demanderesse. Dans un tel dispositif chaque section reçoit une tension affectant les propriétés d'électro-absorption (filtrage) et de photoconduction (détection). Chaque section répond alors seulement à une bande de longueur d'onde absorbée sélectivement avec un signal de sortie correspondant. Après que le faisceau lumineux a été affiché spatialement ou que le spectre a été analysé d'une autre façon, les diverses composantes spectrales sont retardées et ensuite -recombinées. Ceci peut être obtenu de plusieurs façons. La figure 5 représente un retard optique discret obtenu à l'aide de fibres. Un retard optique par fibres dans d'autres buts est décrit dans le brevet américain nO 3.785.719. Comme on peut le voir en figure 5, plusieurs fibres 31 > 32, 33, 34, 35 et 36 sont positionnées derrière un spectre sur le plan 16. Ce spectre sur le plan 16 peut être un spectre continu commedans le cas de la figure 1, ou un spectre discret comme dans le cas des figures 2, 3 et 4.Les composantes de longueurs d'onde les plus longues arrivant d'abord à l'emplacement 20 passent par la longueur la plus longue de ligne à retard optique 36 et l'inverse s'applique pour les longueurs d'ondes les plus courtes à la position 18, qui passent à travers la longueur la plus courte de la ligne à retard optique 31. Les signaux optiques compensés sont finaliement recombinés au niveau du détecteur 37. A titre d'exemple six lignes à retard peuvent être utilisées pour diminuer une dispersion chromatique d'impulsions de 3 nanosecondes à 3 : 5 = 0,6 nanoseconde. Puisque le retard optique s'élève à environ 1 ns par 20 cm de fibre, des incréments de longueur de 12 cm seraient convenables. Ainsi, si la ligne 31 a par exemple 12 cm, alors la ligne 32 a 2 x 12 cm, la ligne 33 3 x 12 cm etc... De si courtes longueurs de fibres entratneraient une faible perte indépendamment de la perte de couplage qui est uniforme dans toutes les fibres. Une perte différentielle optionnelle peut être prévue pour compenser les variations de longueur d'onde de la sortie de la source, de transmission de la fibre ou de sensibilité du détecteur. Un retard électronique discret peut être obtenu si les fibres 31 à 36 de la figure 5 sont remplacées par des détecteurs individuels comme dans le cas de la figure 6. En figure 6, les détecteurs sont désignés par les références 38 à 43 et le mécanisme de retard peut comprendre par exemple un câble électrique, des cristaux piézo et acousto-optiques, des retards de charge semi-conductueurs, des lignes à retard sous forme de bande, ou des circuits de retard actifs. De tels mécanismes de retard peuvent également s 'ap- pliquer aux sorties dtun photodétecteur à plusieurs sections auquel on s'est référé précédemment. Après le retard des signaux, ceux-ci sont recombinés en 44. Le retard optique peut également être réalisé pour un spectre continu, comme en figure 1 par exemple, avec un dispositif à cavité résonante. Toutefois, les différences de longueur de trajet dans l'air, avec des retards de lns/30 cm requerraient un montage assez encombrant de lentilles et de miroirs. Des lignes à retard à fibres, comme dans le cas de la figure 5 par exemple, peuvent être rassemblées de façon compacte bien que limitées à un réseau discret. Une forme de retard électronique continu peut être réalisée avec un détecteur PIN modifié. Un tel détecteur est représenté en figure 7 et désigné de façon générale par la référence 50. Un détecteur PIN classique est géométriquement modifié pour avoir une épaisseur qui augmente selon sa longueur. Un spectre, tel qu'en 16 en figure 1 par exemple, est amené à frapper la couche de type n supérieure 51. Ceci produit des paires électron-trou dans la région intrinsèque déplétive 52; les électrons et les trous glissent respectivement vers la couche supérieure du type n 51 et la couche inférieure de type p 53.Si les composantes de longueur d'onde plus élevées (20 en figure 1) qui sont passées le plus vite à travers la fibre 10 produisent des paires près de la partie plus épaisse 54 du détecteur, les temps de transit de glissement associés sont supé- rieurs à ceux des paires produites par les composantes les plus courtes (18 en figure 1) près de la partie la plus étroite 55 du détecteur 50. Ce retard de compensation relatif est provoqué par deux facteurs : l'intensité du champ électrique plus faible (et les vitesses de glissement inférieures résultantes) en 54 comparé à 55 et également la plus grande distance du déplacement de la charge. A titre d'exemple numérique simple, on considérera une épaisseur intermédiaire arbitraire D pour le détecteur 50. Si V est la tension de polarisation inverse appliquée aux contacts supérieur et inférieur 56 et 57 respectivement alors le champ électrique (uniforme verticalement) en coupe est V v D = où est la mobilité des charges et v la vitesse de glissement. ta durée de transit est alors D D T = v = V ou bien, en unités pratiques,l'épaisseur requise pour un retard donné est D( > m) = OJl/u (cm2/V s)V(V)T(ns) On peut choisir # 10 , V ~ 10, T = 0 à 4 secondes de sorte que D = 0 à 63 > . La variation de T le long du détecteur ne doit pas nécessairement être linéaire comme cela est représenté en figure 7 mais peut prendre une forme appropriée selon la nature du spectre particulier présent en 16 en figure 1. L'utilisation d'un détecteur PIN divise effectivement le spectre en un nombre infini de secteurs ou portions. On notera que plusieurs dispositifs sont proposés pour compenser la dispersion chromatique des fibres optiques. Quatre moyens de séparation de spectre peuvent être utilisés spectrométrie, optique intégrée, filtrage, et détection-filtrage simultanés. Les composantes spectrales sont alors retardées sélectivement optiquement par l'intermédiaire de cavités de fibres ou retardées électroniquement par divers moyens. Les signaux recombinés présentent sensiblement moins de dispersion chromatique d'impulsions. 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 apparaltront à l'hom- me de l'art. REVENDICATIONS I - Procédé d'égalisation de dispersion chromatique dtim- pulsions d'un faisceau lumineux dans une fibre optique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - disperser le faisceau lumineux reçu en un spectre comprenant des secteurs dé longueurs d'onde différentes; - détecter les secteurs et produire un signal pour chaque secteur; - appliquer un retard prédéterminé à chaque signal; et - combiner les signaux pour fournir une sortie unique. 2 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à former le faisceau lumineux en un spectre pour former un éventail divergent de rayons frappant une surface plane, les secteurs se trouvant en diverses positions sur la surface plane. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à faire arriver les rayons sur plusieurs filtres optiques, chaque filtre transmettant un secteur distinct du spectre du faisceau lumineux. 4 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à faire arriver les rayons sur un photodétecteur à sections multiples, chaque détection des photodétecteurs répondant à un secteur différent du spectre du faisceau lumineux. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à fournir les signaux en provenance des secteurs à plusieurs lignes à retard optique (31 à 36), chaque signal étant fourni à une ligne à retard différente, les différentes lignes à retard ayant des longueurs distinctes plus longue pour le secteur de plus grande longueur d'onde et plus courte pour le secteur de plus petite longueur d'ondes. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à fournir les signaux en provenance des secteurs à un moyen de retard électronique, un moyenne retard électronique distinct étant prévu pour chaque secteur. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à faire arriver le faisceau lumineux sur la couche supérieure 51 d'un détecteur PIN 50 ayant une zone intermédiaire déserte d'épaisseur augmentant avec la longueur, les rayons lumineux de longueur d'onde la plus basse frappant l'extrémité 55 d'épaisseur la plus élevée du détecteur PIN 50 et les rayons lumineux de longueur d'onde la plus élevée frappant l'extrémité d'épaisseur la plus grande 54 du détecteur PIN 50. 8 - Appareil d'égalisation de dispersion chromatique dtim- pulsions d'un faisceau lumineux dans une fibre optique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour disperser le faisceau lumineux 11 en un spectre; des moyens pour détecter différentes portions du spectre pour produire un signal lié à chaque portion; des moyens pour appliquer un retard à chaque signal; et des moyens pour combiner les signaux en une sortie unique. 9 - Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen 12, 13, 15 pour disperser le faisceau lumineux 11 comprenartun spectromètre. 10 - Appareil selon la revendication 8 dans lequel le moyen pour détecter les différentes portions du spectre est caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs filtres optiques, un photodétecteur à sections multiples, ou plusieurs fibres optiques. 11 - Appareil selon la revendication 10 dans lequel le moyen pour appliquer un retard est caractérisé en ce qu'il comprend des fibres optiques, ces fibres étant de longueur variable. 12 - Appareil selon l'une quelconque des revendications -8 à 10, caractérisé en ce que les moyens pour fournir le retard variable comprennent un moyen de retard électronique. 13 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens pour détecter- les diverses parties du spectre èt appliquer le retard temporel comprennent un détecteur PIN 50, ce détecteur étant d'épaisseur variable, le spectre arrivant sur une surface 51 du détecteur 50, les longueurs d'onde les plus courtes arrivant sur l'extrémité la plus mince 55 du détecteur.