Brevet FR2553203A1 — publié le 19850412

I La présente invention concerne un procédé pour augmenter la largeur de bande d'un modulateur rapide, dans lequel un signal lumineux de fréquence constante est modulé au moyen d'un signal hyperfréquence acheminant de l'informa5 tion Le procédé et le dispositif ne sont cependant pas limités à la modulation au moyen de signaux hyperfréquences, mais ils s'appliquent essentiellement à l'utilisation de tels signaux, du fait que la limitation de largeur de bande est dans ce cas le problème le plus important. Le procédé conforme à l'invention est destiné à l'utilisation dans un modulateur consistant en un circuit intégré optique de structure connue, qu'on décrira ci-après de façon plus détaillée en relation avec les figures 1-4 Des dispositifs appelés coupleurs directionnels optiques ont été 15 décrits précédemment dans la littérature technique (par exemple dans la revue IEEE Journal of Quantum Electronics Vol. QE 17 N 6, juin 1981), et ces coupleurs comprennent deux conducteurs optiques disposés parallèlement sur ce qu'on appelle une distance d'interaction Un signal optique se pro20 pageant dans l'un des conducteurs peut être couplé vers l'autre conducteur le long de la distance d'interaction, et ce couplage peut être effectué par l'action d'une tension de niveau approprié On peut modifier un tel coupleur directionnel pour constituer un modulateur rapide, la tension étant alors 25 remplacée par un signal modulant de fréquence très élevée, par exemple un signal hyperfréquence Le signal hyperfréquence est appliqué parallèlement aux conducteurs optiques et on utilise habituellement dans ce but des électrodes consistant en conducteurs de transmission, par exemple des;lignes en 50 bande coplanaires. Dans un modulateur optique rapide conforme à ce qui précède, la lumière située dans les canaux de-guidage d'ondes se propage parallèlement aux signaux hyperfréquences dans les deux électrodes consistant en conducteurs de trans35 mission, mais avec des vitesses de propagation différentes. :== Cette différence de vitesse de propagation entre l'onde hyperfréquence et la lumière-dans les eanaux limite la largeur de bande du circuit optique, car plus la différence de vitesse de propagation est grande, plus la différence de phase cumulée entre l'onde hyperfréquence etla lumière au bout d'une distance donnée est grande, et plus la largeur de bande est faible Il est donc avantageux de maintenir la distance d'interaction aussi faible que possible pour réduire la différence de phase entre le signal optique et le signal hyper10 fréquence qui résulte de la différence de vitesse de propagation Simultanément, en ce qui concerne la puissance d'attaque, c'est-à-dire la puissance hyperfréquence nécessaire pour la modulation, il est souhaitable d'utiliser une distance d'interaction aussi longue que possible, et donc des con15 ducteurs de transmission longs. Conformément à ce qui précède, la différence entre les vitesses de propagation conduit à un déphasage relatif entre l'onde hyperfréquence et le signal lumineux, et lorsque ce déphasage est de 180 et plus, il y a une dégradation des 20 propriétés de modulation dans le couplage qui se poursuit sur le reste de la distance d'interaction, c'est-à-dire une limitation de la largeur de bande Conformément à ce qui précède, le fait de diminuer la distance d'interaction pour s'opposer à cette dégradation conduit à la nécessité d'aug25 menter la puissance d'attaque. Le but de l'invention est de réduire l'effet du déphasage qui se produit entre un signal hyperfréquence modulant (ayant de façon générale une vitesse de propagation faible) et un signal optique modulé ayant une vitesse de propa30 gation supérieure à celle du signal hyperfréquence, tout en conservant une distance d'interaction suffisamment longue, c'est-à-dire d'augmenter la largeur de bande pour une puissance d'attaque maintenue cnnstante, ou de réduire la puissance d'attaque pour une largeur-de bande maintenue constan35 te. Conformément au procédé de l'invention, une inversion de polarité du signal modulant se produit après que le signal modulant a été déphasé de 180 par rapport au signal optique, à cause de la différence de vitesse de propagation: On obtient ainsi une modification du signal modulant telle qu'en dépit du fait que la distance d'interaction correspond à une différence de phase de 2 T, le signal modulant peut produire une modulation du signal optique. Un aspect de l'invention porte sur un procédé uti10 lisable dans un modulateur optique rapide du type à ondes progressives, pour augmenter la largeur de bande disponible pour la modulation d'un signal optique par l'action d'un signal de fréquence inférieure à celle du signal optique, sur une distance d'interaction donnée, la longueur de la distan15 ce d'interaction correspondant à une différence de temps de propagation entre le signal modulant et la lumière, pour un nombre entier de périodes du signal modulant, la distance d'interaction étant divisée en au moins deux sections égales, caractérisé en ce qu'on décale le signal modulant après pas20 sage sur la moitié de la distance d'interaction, correspondant à un déphasage relatif au moins égal à une moitié d'une période du signal hyperfréquence, en polarisant une section avec une polarité positive et l'autre section avec une polarité négative, de façon à obtenir une modification du signal modulant en fonction de sa position de phase, grâce à quoi on obtient une modulation du signal de sortie optique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en 30 se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure I représente un modulateur rapide sous la forme d'un circuit optique intégré correspondant à un mode de réalisation connu; la figure 2 est une coupe du circuit de la figure 351; les figures 5 et 4 sont des représentations graphiques de la distribution d'énergie lumineuse dans le circuit de la figure 1; la figure 5 est une représentation graphique de signaux hyperfréquences modulants qui apparaissent dans le circuit de la figurie 1 la figure 6 est un schéma de circuit d'une structure d'électrode dans un modulateur à coupleur directionnel utilisant le procédé de l'invention; 1 es figures 7-10 sont des représentations graphiques de la distribution de tension le lnng des électrodes dans le modulateur de la figure 6, et la figure Il montre une structure d'électrodes dans un autre mode de réalisation de l'invention. La figure I montre un modulateur rapide constitué par ce qu'on appelle un coupleur optique directionnel, avec une paire de guides d'ondes plans et identiques, ou lignes en bande, 4 et 5, qui reçoit un signal hyperfréquence modu-lant qui module un signal lumineux entrant, se propageant 20 dans le conducteur d'ondes optiques l, émis parexemple par une diode laser Les deux conducteurs de lumière 1 et 2 du modulateur sont placés si près l'un de l'autre que la lumière qui est introduite, par exemple par le conducteur 1, sur la distance 0-L, peut être couplée vers le conducteur 2. 25 Les guides d'ondes plans 4 et 5 sont connectés mutuellement par une résistance de charge 3 La longueur L de chaque guide d'ondes 4, 5 est ce qu'on appelle la distance d'interaction. Un signal hyperfréquence v est appliqué à l'entrée 30 du conducteur 4 On suppose que ce signal v est sinusoïdal, et pendant sa propagation le long de la distance d'interaction L, il produit le couplage de la lumière entre les deux conducteurs de lumière I et 2, le signal lumineux pouvant être obtenu à la sortie du conducteur 2, ce qui permet la 55 modulation. 25532)03 La figure 2 est une coupe du circuit de la figure 1, dans le plan A-A On a formé les deux conducteurs de lumière 1 et 2 sur un substrat 7 en niobate de lithium (Li NO 3), avec un indice de réfraction supérieur à celui du niobate de lithium, au moyen d'une diffusion de Ti Les deux conducteurs d'ondes 4 et 5 sont placés sur la surface supérieure plane, sous la forme de lignes en bande (en aluminium). Si on suppose sur la figure 1 que le signal v est une tension continue pure (f=O, v=Vo), on obtient à un ins10 tant donné une distribution d'énergie lumineuse dans les conducteurs 1, 2 (cette distribution est représentée sur les figures 3, 4) La figure 3 montre le cas: v=Vo=O, et on voit que cette fibre conduit toute la lumière au début de la distance d'interaction, à L=O, c'est-à-dire à l'entrée du 15 conducteur de lumière 1 Dans l'intervalle O O c L/2, le couplage de la lumière du conducteur de lumière I vers le conducteur de lumière 2 se produit, ce qui fait que pour l=L/2, le conducteur de lumière 2 conduit toute la lumière. Dans l'intervalle L/241 Zl L, la lumière du conducteur 2 est couplée d'une manière similaire vers le conducteur 1 On obtient ainsi un transfert alterné de lumière d'un conducteur de lumière vers l'autre, le long de la distance d'interaction 0-L. Si on applique une tension continue entre les con25 ducteurs de lumière 1, 2, cette tension agit sur le couplage entre les conducteurs de lumière 1 et 2 d'une manière telle que pour une tension donnée v=V 00 il n'y a aucun couplage entre les conducteurs, et l'intensité (ou l'énergie) lumineuse ne varie que faiblement, conformément à la figure 4. Ce qui précède permet ainsi de voir que la lumière qui est obtenue à la sortie, par exemple du conducteur de lumière 1, peut être modulée par une tension modulante v appliquée à l'entrée des conducteurs de lumière 1, 2, conformément à la figure 1 Dans le cas o ce signal est un 35 signal hyperfréquence, si la longueur d'onde est ' m)>L, aucun problème n'apparaît pour une telle modulation de la lumière. Cependant, lorsqu'on augmente la fréquence du signal hyperfréquence en modulation rapide, ce qui fait que la différence de phase entre la lumière et le signal hyperfré5 quence approche de 2 TV au bout de la distance d'interaction L, l'obtention de la modulation soulève des difficultés, du fait qu'on ne peut pas obtenir une contribution positive (ou négative) correspondant à la tension Vo O (-V 0) et produisant une modulation Ceci est dû au fait que, pour une pé10 riode complète de la différence de phase entre le signal hyperfréquence v et la lumière, les demi-ondes positive et négative s'annulent mutuellement et l'action de modulation disparaît Ceci se traduit par une limitation de largeur de bande des modulateurs du type représenté sur la figure 1. La figure 5 est destinée à illustrer de façon plus détaillée les problèmes précités relatifs à la limitation de largeur de bande La représentation graphique de la figure 5 montre trois signaux hyperfréquences différents vl, v 2, v 3, avec des fréquences différentes Le signal v ayant la fré20 quence la plus basse a une longueur d'onde \ 1 qui est supérieure sur la figure (très supérieure en réalité) à la distance d'interaction L Ce signal donne manifestement une contribution positive pour chaque position, de phase de O à 360 sur la distance d'interaction, et on obtient donc une 25 modulation appropriée conformément à la figure 1 Le signal v 2 a une fréquence tellement élevée que la différence de temps de propagation sur la distance L correspond à une période Tm du signal hyperfréquence, ce qui signifie qu'il ne se produit aucune modification résultante sur la distance 30 d'interaction L Ceci s'applique à toutes les positions de phase de l'onde hyperfréquence On n'obtient donc aucune modulation appropriée. Si la fréquence du signal hyperfréquence v augmente encore pour donner le signal v Y 3, on obtient effectivement 35 une addition résultante (surface hachurée sur la figure 5). Cependant, cette addition est en pratique trop faible pour donner une modulation, et donc-une augmentation de la largeur de bande. Un procédé conforme à l'invention pour augmenter la largeur de bande d'un modulateur rapide du genre représenté sur la figure 1, consiste à modifier le signal modulant sur la distance d'interaction, de façon à obtenir également une modulation effective pour des signaux hyperfréquences, ces signaux ayant une fréquence tellement élevée que la différen10 ce de temps de propagation sur la distance L correspond à une période des signaux hyperfréquences, conformément à ce qui précède On peut par-exemple réaliser cette modification par une inversion de polarité du signal au bout de la moitié de la distance d'interaction, de façon que le signal soit re15 dressé après l'inversion de polarité (ce qui est indiqué sur la figure 5 par des hachures pour v 2), ce qui permet d'obtenir l'addition résultante nécessaire. La figure 6 représente un modulateur à coupleur directionnel optique du même genre que celui de la figure 1, 20 mais modifié conformément au procédé de l'invention L'entrée hyperfréquence est connectée par un condensateur C 1 au conducteur d'ondes plan, qui a été divisé dans ce cas en deux parties 4 a et 4 b, ces parties étant connectées l'une à l'autre par un condensateur C Une tension continue positive +E 25 est appliquée par l'intermédiaire d'une inductance L 1 entre le condensateur C et l'entrée de la partie de conducteur d'ondes 4 a Les parties 4 a, 4 b sont constituées par des lignes en bande planes, comme dans le circuit de la figure 1 La sortie de la partie de conducteur d'ondes 4 b est connectée à 30 la sortie du conducteur d'ondes 5, par l'intermédiaire d'un condensateur C 2 et d'une charge 6, le conducteur d'ondes 5 étant réalisé de la même manière que le conducteur d'ondes correspondant sur la figure 1 Une tension continue négative -E est appliquée par l'intermédiaire d'une inductance L 2 à 35 la sortie de la partie de guide d'ondes 4 b, et l'entrée du guide d'ondes 5 est mise à la masse Comme avec le circuit de la figure 1, les conducteurs d'ondes optiques 1 et 2 sont parallèles aux parties de guide d'ondes 4 a et 4 b et au guide dtondes 5, et le circuit de la figure 6 a'été polarisé posi5 tivement et négativement par rapport à la masse à l'aide des tensions respectives +E et -E, ce qui produit une inversion de polarité d'un signal hyperfréquence entrant, au bout de la moitié de la distance d'interaction. Les figures 7-10 représentent la distribution de 10 la tension hyperfréquence le long de la distance d'interaction-pour quatre positions de phase par rapport à la lumière, c'est-à-dire à deux instants différents Les parties (a) des figures 7 à 10 montrent la distribution des tensions de polarisation +E, -E, les parties (b) des figures 7 à 10 montrent 15 la distribution du signal hyperfréquence (si on n'utilise aucune polarisation), et les parties (c)-des figures 7 à 10 montrent la distribution de la tension totale pour les différentes positions de phase: 0 , 90 , 180 et 270 . Lorsque le déphasage est de 0 (parties (a) (c) de la figure 7), la contribution des tensions de polarisation +E et -E agit dans le même sens que le signal hyperfréquence, et lorsque le déphasage est devenu égal à 180 (parties (a) (c) de-la figure 9), la contribution de la tension continue agit en sens opposé au signal hyperfréquence L'action dans 25 le même sens se produit pour les deux déphasages de 90 et 270 pendant une demi-période, et l'action en sens opposé se produit pendant la demipériode suivante, ce qui conduit à une annulation mutuelle Les aires comprises sous les courbes respectives des parties (c) des figures 7 à 10 va30 rient donc depuis une valeur maximale (pour un déphasage de 00) jusqu'à une valeur minimale (pour un déphasage de 180 ). Cette variation des aires produit la modulation désirée du signal optique Des simulations sur ordinateur pour le coupleur 35 optique directionnel intégré ont montré que la nouvelle structure d'électrodes présente un caractère passe-bande, et que sa largeur de bande s'élève environ jusqu'au double de celle de la structure d'électrodes connue, conforme à la figure 1, avec la même longueur physique (L) La modulation 5 optique diminue quelque peu dans le cas réel lorsqu'on utilise la nouvelle structure d'électrodes Ceci signifie qu'on doit augmenter de façon correspondante l'action demodulation électrique si on désire que la modulation optique à la sortie du coupleur directionnel soit maintenue constante. -10 On peut également réaliser une modification de l'onde hyperfréquence le long de la distance d'interaction qui donne lieu à une modulation des signaux lumineux, sans utiliser des tensions de polarisation, par exemple lorsque E=O dans les figures 7 à 10 La figure ll montre la structure 15 d'électrodes pour un tel modulateur, en utilisant les mêmes caractères de référence que pour la figure 6 Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVEINDDICAT i OTS 1 Procédé utilisable dans un modulateur optique rapide du type à ondes progressives, pour augmenter la largeur de bande disponible poulr la modulation d'un signal op5 tique par l'action d'un signal (v) de fréquence inférieure à celle du signal optique, sur une distance d'interaction donnée, la longueur (L) de la distance d'interaction correspondant à une différence de temps de propagation entre le signal modulant et la lumière, pour un nombre entier de pé10 riodes du signal modulant, la distance d'interaction (L) étant divisée en au moins deux sections égales, caractérisé en ce qu'on décale le signal modulant (v) apres passage sur la moitié de la distance d'interaction, correspondant à un déphasage relatif au moins égal à une moitié d'une période 15 du signal hyperfréquence, en polarisant une section avec une polarité positive (+E) et l'autre section avec une polarité négative (-E), de façon à obtenir une modification du signal modulant en fonction de sa position de phase, grâce à quoi on obtient une modulation du signal de sortie opti20 que. 2 Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, dans lequel il existe un modulateur à coupleur directionnel optique du type à ondes progressives, comprenant deux conducteurs d'ondes métalliques plans 25 et parallèles ( 4 a, 4 b, 5) dont la longueur définit une distance d'interaction (L) et ayant une entrée à laquelle est appliqué un signal hyperfréquence modulant (v), ces conducteurs étant connectés par l'intermédiaire d'une résistance de charge ( 6), et des conducteurs optiques ( 1, 2) destinés 30 à acheminer un signal optique ayant une fréquence donnée, qui sont disposés parallèlement aux conducteurs d'ondes métalliques, le signal optique étant couplé d'un conducteur optique ( 1) vers l'autre ( 2) sous la dépendance du signal hyperfréquence, et l'un au moins des conducteurs d'ondes métalliques étant divisé en deux sections de même longueur ( 4 a, 4 b), dispositif caractérisé en ce qu'une polarisation positive (+E) est appliquée à une section ( 4 a) et une polarisation négative (-E) est appliquée à l'autre section ( 4 b) pour produire un déplacement de tension du signal modulant (v), et en ce que les deux sections ( 4 a, 4 b) sont connectées au moyen d'un élément de couplage (c) pour le signal modulant (v). 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de couplage consiste en un conden10 sateur (C) qui transmet le signal modulant (v) mais qui bloque les polarisations (+E, -E).