Brevet FR2368055A1 — publié le 19780512

La présente invention concerne un interféromètre non linéaire comprenant une cavité d'interféromètre propre à recevoir en mode unique de l'énergie optique polarisée lineai- rement, à fréquence unique, et à fournir à la sortie de l'énergie optique Dans ltart antérieur, on a connu des dispositifs interféromètres non linéaires dont la cavité est sensiblement remplie d'un agent de Eerr;(voir l'article intitulé "!henry of Nonresonant Multistable Optical Devices", par F.H. Felber et J.H. Marburger, Applied Physics Letters, vol. 28, No. 12, 15 Juin 1976, pages 731 à 733).Ce type de dispositif procure un interféromètre bistable qui ne dépend pas des propriétés d'absorption ou de résonance de l'agent ou ;milieu utilisé comme dans d'autres dispositifs interféromètres de l'art antérieur. Dans un milieu de Kerr, l'indice de réfraction est fonction de la densité d'énergie optique moyenne dans le temps,du milieu. Comme conçu par Felber et autres, ce type dwinterféromètre constitue un dispositif bistable qui présente un gain différentiel et que lton peut utiliser comme élément de mémoire, comme limiteur de puissance ou comme commutateur optique, pourvu que le dispositif soit polarisé convenablement.Comme l'effet utilisé ne dépend pas de propriétés de résonance quelconques du milieu, le dispositif peut titre polarisé par un champ indépendant dont la fréquence diffère de celle du champ amplifié. Malheureusement, le dispositif de Felber et autres utilise un agent de Kerr et exige donc des densités d'énergie de l'ordre-de 1Q8 watts/cm2 pour présenter les caractéristiques bistables. Cette grande énergie est nécessaire pour tous les agents connus puisque la dépendance de l'indice de réfraction par rapport à la densité de l'énergie est un effet de très petite grandeur. Suivant l'invention, il faut des puissances moindres dans les interféromètres caractérisés par le fait que le milieu électro-optique dont l'indice de réfraction est fonction des tensions appliquées , est disposé dans la cavité en sorte d'interagir avec l'énergie optique qui s'y trouve, et des moyens générateurs de tension, répondant à énergie optique à la sortie de la cavité sont prévus pour appliquer une tension à l'agent électro-optique. Sur les dessins: - La figure 1 est un schéma fonctionnel d'un appareil construit suivant la présente invention; - la figure 2 est un graphique du facteur de transmission en fonction de la tension de rétroaction, utile pour décrire le fonctionnement de l'invention ; et - la figure 3 est une courbe de caractéristique bistable obtenue à partir d'un appareil construit suivant l'invention. En général, suivant l'invention, une cavité d'inter féromètre est remplie sensiblement d'un matériau électrooptique ayant des bornes auxquelles on peut appliquer un potentiel. L'indice de réfraction de cette matière électrooptique dépend du potentiel , de sorte que l'on peut accorder la cavité en changeant la grandeur du potentiel appliqué à l'agent ou milieu électro-optique. Un photodétecteur est amené à répondre à la densité d'énergie du rayonnement optique à l'intérieur de la cavité et le potentiel développé par ce photodétecteurn est admis aux bornes du milieu électro-optique. Le dispositif ainsi obtenu présente des caractéristiques extérieures qui sont identiques à celles prévues par Felber et autres, mais il le fait en utilisant un rayonnement optique qui peut titre de plusieurs ordres de grandeur inférieur à celui qui est nécessaire lorsqu'on utilise un milieu de Kerr. Dans la forme de réalisation spécifique montrée, on utilise un diviseur de faisceau pour échantillonner l'énergie optique à la sortie de la cavité , et cette énergie optique est transmise alors à un photodétecteur dont le signal de sortie est amplifié avant d'être admis à la matière électrooptique. Comme on le soulignera dans la suite, cependant, des versions optiques intégrées de cet appareil n'exigent pas le diviseur de faisceau, ou l'amplification extérieure. En donnant à présent plus de détails, on voit à la figure 1 une source 10 qui procure un rayonnement optique polarisé linéairement , de mode unique et à fréquence unique sur un traJet Il vers l'entrée d'un interféromètre de Fabry-Perot 20. La source 10 peut être une source quelconque de rayonnement optique, convenablement isolée des effets de énergie renvoyée par l'interféromètre de Fabry-Perot 20. Dans cette forme de réalisation, la source 10 comprend un laser He-He ayant une émission de 6.328 . 10 mm , admise à l'entrée d'un atténuateur variable 16. L'atténuateur variable 16 permet à la puissance de rayonnement optique qui tombe sur l'interféromètre de Fabry-Perot 20 entre changée continuellement.Le rayonnement provenant de l'atténuateur variable 16 est admis à un prisme de Glan-Thompson qui ne permet qu'une polarisation unique du rayonnement optique provenant du laser pour passer à l'entrée d'un rotateur de Faraday 14. La sortie du rotateur de Faraday fournit le rayonnement à mode unique et polarisé linéairement , sur le trajet 71 , et empoche en outre qu'un rayonnement réfléchi n'influence le fonctionnement du laser 12. L'énergie optique sur le trajet Il est admise à l'entrée d'une cavité de Fabry-Perot comprenant les miroirs 21 et 22. - Dans une forme de réalisation, chacun des miroirs 21 et 22 a un diamètre de 10 centimètres et les miroirs sont espacés d'une distance d'environ 10 centimètres. Les miroirs ont une réflectivité de 80 pourcents au rayonnement de 6.328 . 10-7 mm et la finesse du résonateur est approximativement égale à sept. La cavité de Fabry-Perot constituée par les miroirs 21,22 est sensiblement remplie d'un agent électro-optique 23 ayant des bornes 24 et 25 sur les faces de ce milieu, auxquelles on peut appliquer un potentiel pour changer l'indice de réfraction du milieu électro-optique. Le milieu électro-optique dans cette forme de réalisation est constitué -par un bloc de phosphate dihydrogéné de potassium (KDP) mais toute autre-matière électro-optique telle que le niobate de lithium (LiNbO3) peut etre utilisée. Un potentiel de 1200 volts appliqué aux bornes 24 et 25 suffit, dans cette forme de réalisation pour changer la phase de la lumière qui traverse le modulateur, de nS radians. L'énergie optique qui émane de la cavité de Fabry-Perot sur le traJet 26 est admise à un diviseur de faisceau 27 à travers lequel une grande partie de l'énergie passe sur un traJet 28. L'énergie renvoyée par le diviseur de faisceau 27 est admise par l'intermédiaire d'un trajet 29 à l'entrée dtun photodétecteur 30. Dans cette forme de réalisation, le photodétecteur 30 comprend une cellule solaire ayant des sensibili tes correspondant à la longueur d'onde de rayonnement du laser 12. La sortie du photodétecteur 30 est couplée par un amplificateur 31 aux bornes 24 et 25 de l'agent électro-optique 23. Dans cette forme de réalisation, l'amplificateur 31 procure une sortie d'environ 1000 volts pour une puissance de 1 Fwatt tombant sur le détecteur. Ainsi qu'il apparattra de la description qui va suivre, la grandeur du signal de sortie requise dépend du milieu électro-optique utilisé et de la sensibilité du photodétecteur. Le milieu électro-optique 23 a un indice de réfraction n que l'on peut représenter par l'équation suivante: n = nO + n2(V) (1) où nO est l'indice de réfraction qui apparat lorsque le potentiel zéro est relié aux bornes 24 et 25 , tandis que n2 est l'indice de réfraction créé en vertu du fait qu'un potentiel est admis aux bornes de la matière électro-optique.En comparant l'équation (1) ci-dessus avec l'équation (1) de l'article de Felber et autres , on peut voir que l'indice de réfraction procuré par la matière électro-optique peut avoir un effet identique à celui d'un milieu de Kerr, si la tension prévue aux bornes de ce milieu est amenée à entre une fonction de la densité de l'énergie optique à l'intérieur de la cavité-. Si- cette tension est fonction de la densité d'énergie optique de sortie de la cavité, elle sera fonction aussi de la densité d'énergie optique à l'intérieur de la cavité puisque ces deux densités d'énergie sont en rapport l'une avec l'autre par 11 intermédiaire de la transmittance du miroir de sortie 22 dans la cavité de Fabry-Perot. Comme l'intensité optique à la sortie est fonction de la tension prévue sur le milieu électro-optique et qu'en outre cette tension est fonction de l'intensité optique de sortie, le fonctionnement de l'appareil de Fabry-Perot décrit peut s'expliquer facilement par l'emploi d'une solution graphique -du mEme type que celle prévue dans l'article de Felber et autres déJà cité. A la figure 2, la courbe 40 est une courbe du facteur de trtnsmission T , développée par la cavité de Fabry-Perot pour des valeurs de tension V prévues aux bornes 24 et 25 du milieu électro-optique. Le facteur de transmission T est simplement le rapport de l'intensité optique transmise It à l'intensité optique incidente Ii.Cette caractéristique présentée par la courbe 4Q est identique à celle que l'on peut obtenir en accordant la cavité de Fabry-Perot d'une façon qui ferait intervenir le changement d'espacement entre les miroirs 21 et 229 Dans l'arrangement suivant l'invention, cependant, cet espacement reste constant et l'accord a lieu en changeant le potentiel appliqué aux bornes du milieu électro-optique, ce qui change à son tour l'indice de réfraction présenté par le milieu électro-optique à l'intérieur de la cavité. Pour des tensions spécifiques aux bornes 24 et 25, on obtient la résonance de la cavité et les réflexions multiples d'énergie optique à l'intérieur de la cavité interfèrent par voie de construction , en faisant ainsi que la plus grande partie de l'énergie incidente soit admise à la sortie de la cavité.Ces points de résonance sont représentés comme points 41 et 42 sur la courbe 40 de la figure 2. Pour autres valeurs de la tension , le facteur de transmission de la cavité est changé, et en certains points, l'énergie optique à l'intérieur de la cavité constitue une interférence destructive. En ces points, très peu d'énergie incidente est admise à la sortie de la cavité. Un point dXinterférence destructif de ce genre est indiqué comme point 43 sur la courbe 40 de la figure 2. Pour obtenir une caractéristique bistable optimale , l'espacement des miroirs 21 et 22 est-réglé de telle façon que la cavité soit à un point de faible transmission lorsqu'un potentiel nul est appliqué aux bornes du milieu électro-optique. Comme montré à la figure 2, on a une famille de courbes qui représente la relation entre 11 intensité optique de sortie et et la tension développée à la sortie de l'amplificateur 31. Ces courbes sont indiquées par 51 à 57 à la figure 2. Chacunedes courbes 51 à 57 fournit la relation entre l'intensité optique de sortie It et la tension à la sortie de 11 amplificateur 31 pour une valeur particulière de l'intensité optique d'en tréeIi . Il faut une famille de courbes puisque l'axe des ordonnées de la figure 2 représente le rapport des intensités plutôt que simplement l'intensité optique de sortie. L'inter section des courbes 51 à 57 avec la courbe 40 donne les points pour lesquels l'appareil de la figure 1 fonctionnera lorsque la boucle de réaction est fermée. Bien qutily ait un nombre discret de courbes montrées à la figure 2 pour la relation entre l'intensité optique de sortie et la tension à la sortie de l'amplificateur 31, on peut remplacer ces courbes par une courbe unique qui balaie le champ offert par l'axe, la pente particulière de la courbe dépendant de la valeur de l'intensité de l'énergie optique incidente Ii. Pour les courbes-montrées à la figure 2, l'axe des ordonnées est l position de la courbe de balayage pour laquelle l'énergie optique incidente est égale à zéro. Pour des intensités croissantes de rayonnement incident, la courbe balaie les positions correspondant aux courbes 51 à 57 en prenant une pente de plus en plus faible à mesure que l'intensité de l'énergie incidente augmente. Lorsque l'énergie incidente augmente à partir de zéro, l'appareil de la figure 1 donne des points de fonctionnement représentés par les intersections 60 à 65.Pour ces points de fonctionnement, le facteur de transmision T reste à une valeur très faible et une grande partie de l'énergie d'entrée n'est pas admise à la sortie.Pour toute nouvelle augmentation de l'énergie optique d'entrée au point 65, le point de fonctionnement doit sauter à un point correspondant à l'intersection 66 de la figure, 2. Par suite, pour cette valeur d'énergie incidente désigne par Iif à la figure 2, on constante une augmentation subite du facteur de transmission T, et par conséquent un pourcentage beaucoup plus grand de l'énergie incidente apparaît soudainement à la sortie. Pour toute nouvelle augmentation de l'énergie incidente correspondant par exemple aux intersections 67 et 68 de la figure 2, l'énergie de sortie reste sensiblement çonstante puisque le facteur de transmission diminue avec 1'augmentation de l'énergie incidente. Si l'énergie incidente diminue maintenant en passant par les intersections 67 et 66, la cavité de Fabry-Perot est à présent en résonance et l'éner- gie nécessaire pour maintenir cet état de choses nsest plus aussi grande que l'énergie requise pour établir l'état de re sonance.Par suite, lorsque l'énergie incidente-diminue, la calté de Fabry-Perot fonctionne en des points correspondant à 69 et 70 , avec un facteur de transmission augmentant, en donnant ainsi des valeurs plus élevées d'énergie optique à la sortie que celles fournies par la meme énergie incidente pendant le fonctionnement initial, correspondant aux points 64 et 63 respectivement. Ce niveau plus élevé de 11 énergie optique de sortie continuera à entre maintenu lorsque l'énergie incidente diminue jusqu'au point de résonance correspondant au point 41 dela figure 2.A ce point, toute nouvelle diminution de l'énergie incidente fait que la cavité de Fabry-Perot tombe à un point de fonctionnement correspondant à l'inter- section 62, donnant lieu ainsi à une diminution subite de l'énergie optique de sortie pour un très petit changement de 1' énergie incidente. Un graphique de l'énergie de sortie en fonction de l'énergie d'entrée est donné par la figure 3.Les points indiqués sur l'axe des abscisses par les valeurs spécifiques de Pil à Pis correspondent à des valeurs de meme numérotation de l'énergie incidente du rayonnement optique, correspondant aux courbes 51 à 56, respectivement. Comme montré à la figure 32 des valeurs croissantes de l'énergie optique d'entrée conduiront à une énergie de sortie relativement faible Jusqu'à la valeur indiquée par Pi5 à la figure 3. Ceci correspond à une intensité d'entrée incidente désignée par Ii5 à la figure 2. En ce point, l'énergie de sortie est subitement accrue pour un petit changement d'énergie d'entrée et toute nouvelle augmentation de l'énergie d'entrée conduit à un changement très petlt de 11 énergie de sortie. Après que ce changement ait été éprouvé , toute diminution dans lténergie entrée maintiendra l'énergie de sortie à un niveau beaucoup plus élevé pour des énergies d'entrée correspondantes qui étaient appliquées initialement. Pour une énergie de Pi2 ( correspondant à l'intensité incidente de Ii2 à la figure 2), toute nouvelle diminution de l'énergie d'entrée conduit à une diminution subite de l'énergie de sortie, comme montré à la figure 3. Les échelles utilisées dans le graphique de la figure 3 pour lnaxe des ordonnées et l'axe des abscisses ne sont pas identiques. Chaque unité de l'axe des abscisses correspond à un changement plus grand d'énergie qu'unie unité de longueur semblable de l'axe des ordonnées. Si les axes avaient des échelles identiques, le point 80 de la figure 3, correspondant au point auquel la résonance se produit dans la cavité de Fabry Perot , serait très proche d'une intersection avec une ligne tirée suivant un angle de; 45 degrés à partir de l'origine. Comme indiqué à la figure 3,l'interféromètre construit suivant la présente invention fonctionne avec des puissances optiques de sortie de l'ordre de 9,5 microwatts. Ceci représente un perfectionnement considérable sur le dispositif de l'art antérieur qui suggère l'utilisation d'un milieu de Kerr dans lequel il faut des densités d'énergie de tordre de 108 watts/cm Bien que cela ne soit pas représenté, appareil tout entier peut entre construirsous forme optique intégrée où l'appareil tout entier est construit sur une base unique.La cavité de Fabry-Perot avec l'agent électro-optique, peut être formé en utilisant un guide en bande de niobate de lithium diffusé au titane, sur un cristal de niobate de lithium (LiNbO3) du type représenté dans l'article intitulé "Efficient Strip Waveguide tlodulation" de I.P. Kaminow et L.W. Stulz, Applied Physics Letters , vol. 27, No. 10, 15 novembre 1975, pages 555 à 557. La diffusion d'un réseau à chaque extrémité du guide à bande de ce type de modulateur peut produire une cavité du type requis dans la présente invention.Ltapplica- tion d'un photodétecteur optique intégré , en contact avec un milieu d'indice plus élevé, couvrant une partie de la bande, peut servir de source de potentiel pour être couplée en retour aux électrodes du modulateur de Kaminow et autres. Un photodétecteur intégré convenable est décrit dans l'article intitulé t1ifltegrated Optical Fhotodetectort' de D.B. Ostrowsky et autres, Applied Phvsics Letters, vol. 22, No. 9, 1 mai 1973, pages 463 à 464. REVENDICATIONS 1.- Interféromètre comprenant une cavité dtinterféromè- tre propre à recevoir un mode unique polarisé linéairement, à fréquence unique,d'énergie optique, et à fournir de l'énergie optique de sortie, caractérisé en ce qu'un milieu électrooptique dont l'indice de réfraction est fonction des tensions qui lui sont appliquées , est disposé dans la cavité de façon à interagir avec l'énergie optique qui s'y trouve, et en ce que des moyens générateurs de tension, répondant à l'énergie optique de sortie dans la cavité sont prévus pour appliquer une tension à ce milieu électro-optique. 2.- Interféromètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens de division du faisceau sont placés de façon à dévier une partie de l'énergie optique de sortie, tandis qu'un photodétecteur répondant à l'énergie optique déviée, provenant des moyens diviseurs de faisceau, est prévu pour engendrer cette tension appliquée au milieu électrooptique.