Brevet FR2570836A1 — publié le 19860328

t/4 2570836 DISPOSITIF A LIGNE A RETARD OPTIQUE CIRCULANTE La présente invention concerne un dispositif à ligne à retard optique circulante du type utilisant une fibre optique comme élément de retard. Des dispositifs de ce type trouvent une application particulièrement avantageuse dans le domaine des radars à haute résolution, en particulier des radars à impulsions de type "V.C.M." (Visualisation des Cibles Mobiles) ou "M.T.I.", selon la terminologie anglo-saxonne ("Moving Target Indicator"), et plus particulièrement du type non cohérent à annulation des échos fixes à l'aide d'une ligne à retard. Il a par ailleurs été montré que l'ordre de grandeur du produit "bande passante-retard" était tel que seules des lignes à retard réalisées à l'aide de fibres optiques pouvaient convenir. En outre, les fibres optiques présentent également des faibles pertes de transmission. Un dispositif à ligne à retard à fibre optique pour un radar du type qui vient d'être rappelé est décrit, entre autres, dans l'article de CHANG et al: "Non coherent Radar Moving Target Indicator Using Fiber Optic Delay Lines" paru dans "IEEE Transactions on circuits and systems", volume CAS- 26, N 12, décembre 1979, pages 1132-1134. Les dispositifs de ce type comprennent une source émettant des impulsions lumineuses, couplée optiquement à l'une des extrémités d'une fibre optique pour y injecter ces impulsions. Celles-ci se propagent alors en mode guidé dans le coeur de la fibre optique jusqu'à l'autre extrémité avec une vitesse finie. Le temps de trajet dépend donc directement de la longueur de la fibre optique et de la vitesse de la lumière dans le matériau du coeur de la fibre optique. L'autre extrémité de la fibre optique est couplée à des moyens opto- électroniques de détection. Un dispositif de l'Art Connu de ce type est décrit dans le brevet US-A-4 166 212. Dans le cas du radar, le retard apporté par la ligne à retard est égal à l'intervalle de temps séparant deux impulsions émises par celui-ci. Typiquement, les ordres de grandeur sont dans les gammes respectives de la nanoseconde, pour la largeur des impulsions, et de la milliseconde, pour l'intervalle de temps séparant deux impulsions. 257C836 Vu la vitesse de propagation de la lumière dans une fibre optique, il est nécessaire d'utiliser une fibre optique de plusieurs kilomètres, ce qui implique une fibre optique à très faibles pertes. Ce type de fibre optique est naturellement onéreux. En outre, bien que la fibre optique soit habituelle- ment bobinée sur un mandrin, l'ensemble est relativement encombrant. Enfin, pour certaines applications, dans lesquelles la longueur de fibre optique est particulièrement importante, il peut être nécessaire d'utiliser des répéteurs-régénérateurs insérés dans la ligne, ce qui augmente le coût et la complexité. L'invention se fixe pour but un dispositif à ligne à retard optique circulante amélioré, dans lequel, notamment, la longueur nécessaire de fibre optique peut être divisée par un facteur deux. Pour ce faire, il est mis à profit la propriété de certaines diodes laser semiconductrices d'être également, sous certaines conditions, photodétec- trices. Ces propriétés sont décrites, par exemple, dans l'article de ALPING et autres: "Detection at G bit/s rates with a TJS GaAIAs laser" paru dans la revue "Optics Communications", volume 44, N 6, 15 février 1983, pages 381-383. L'invention a donc pour objet un dispositif à ligne à retard optique circulante comprenant des moyens opto-électroniques d'émission d'une im- pulsion lumineuse, une fibre optique présentant un chemin optique de la longueur déterminée, formant ladite ligne à retard, couplée optiquement aux moyens opto-électroniques d'émission et guidant cette impulsion lumineuse, des moyens opto-électroniques couplés optiquement à la fibre optique pour la détection et la conversion photoélectrique de cette impulsion lumineuse en un signal électrique, des moyens de génération d'un signal électrique de commande de l'émission de l'impulsion lumineuse et des moyens de réception dudit signal électrique issu de ladite conversion photoélectrique, caractérisé en ce que lesdits moyens opto- électroniques d'émission et de détection sont réalisés sous la forme d'un élément semiconducteur unique constitué par une diode laser semiconductrice émettant de la lumière sur une longueur d'onde déterminée et ayant des propriétés photodétectrices de lumière de même longueur d'onde; et en ce que cette diode laser est couplée optiquement à une première extrémité de ladite fibre optique et une seconde extrémité de 257C836 cette fibre optique est couplée à des moyens réfléchissant de manière à retransmettre une impulsion lumineuse, émise par la diode laser et guidée par la fibre optique, vers la diode laser, pour y être détectée et convertie en un signal électrique, après un aller et retour sur ladite longueur déterminée de la fibre optique. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et caractéris- tiques apparaitront à l'aide de la description qui suit et des dessins annexés, et parmi lesquels - - la figure I représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention; - la figure 2 représente une variante supplémentaire d'un dispositif selon l'invention; - la figure 3 est un exemple de réalisation concrète de dispositifs selon les figures I ou 2. Sur la figure 1 est représenté schématiquement un dispositif de ligne à retard optique circulante selon une première variante de réalisation confor- me à l'invention. Selon une des caractéristiques principales, il est prévu une diode laser DL pouvant fonctionner à la fois en émetteur de lumière et en récepteur de lumière grâce à des propriétés photodétectrices. Un certain nombre de composants semiconducteurs présente cette caractéristique telles les diodes laser semiconductrices de type "GaAIAs/GaAs" (gallium-aluminium-arsenic/gallium-arsenic) ou "GaAIAs" (gallium-aluminium-arsenic) à structure connue sous l'abréviation anglo- saxonne "TJS" ("Transverse Junction Stripe") ou "jonction transverse ruban") décrite dans l'article de ALPING précité. On peut encore utiliser une diode laser de type "GaInAsP" (gallium-indium-arsenic-phosphore). Cette diode laser est couplée optiquement à une des extrémités d'une fibre optique FO, plus précisément à ce qui sera appelé, dans ce qui suit, face d'entrée fe de la fibre optique. L'autre extrémité de la fibre optique FO comporte un élément réfléchissant ou plus simplement est rendue réfléchissante sur ce qui sera appelé dans ce qui suit face de sortie fSR' 70836 4- Les circuits électroniques associés à ces composants opto-électroni- ques comprennent, d'une part, un circuit de commande CC et, d'autre part, un circuit de détection CD. Un commutateur K connecte alternativement la diode laser DL à l'un des circuits CC ou CD, respectivement en mode émetteur et en mode récepteur. Le circuit de commande CC a pour rôle de générer une impulsion électrique de courte durée qui module, en mode émetteur, l'émission de la diode laser DL. L'impulsion de lumière qui en résulte est injectée et transmise en mode guidé par le coeur de la fibre optique FO. Celle-ci, représentée sous la forme d'un bobinage enroulé autour d'un mandrin M, a une longueur que l'on désigne par L. Le temps de propagation To d'une impulsion lumineuse, entre les deux extrémités de la fibre optique, dépend du chemin optique présenté par celle- ci et, comme il est bien connu, obéit à la relation: T = L/(c/n); relation o dans laquelle C est la vitesse de la lumière et n l'indice de réfraction moyen de la fibre optique. Cette impulsion lumineuse est réfléchie par la face de sortie fSR' rendue réfléchissante, et retransmise vers la face d'entrée fe. e Le temps de parcours total est donc égal à 2 To. Pendant cet intervalle de temps, le dispositif selon l'invention est commuté en mode récepteur. Le commutateur K connecte alors la diode laser au circuit détec- teur CD. Après détection, conversion photo-électrique, amplification des signaux électriques issus de la conversion, ces signaux électriques peuvent être retransmis au circuit de commande de la manière qui sera précisé ultérieurement et modulent à nouveau la diode laser. L'impulsion lumineuse en résultant effectue un nouvel aller et retour dans la fibre optique et le cycle recommence. Il a été également représenté sur la figure I une borne BES d'entrée- sortie de signaux pour la communication avec des circuits (non illustrés de génération de signaux de commande transmis au dispositif et d'exploitation de signaux reçus par celui-ci. Ces circuits sortent du cadre de l'invention. Il s'agit par exemple des circuits classiques d'un radar de tube VCM. ',',,' 2570836 Le retard TC correspondant à un cycle élémentaire est de la forme: TC = 2 TO + TE; relation dans laquelle TE est le temps de traversée des circuits électroni- ques CD et CC. Le retard total dépend du nombre de cycles exécutés. Le dispositif selon l'invention présente donc de nombreux avantages par rapport aux circuits de l'Art Connu. Le principal avantage est naturellement qu'il permet de diviser dans un rapport de un à deux de la longueur nécessaire de fibre optique puisque le temps de parcours dans celle-ci est multiplié par deux, ce naturellement pour un cycle élémentaire. Il ne nécessite qu'un élément opto-électronique unique, c'est-à-dire la diode laser DL. Il faut également noter que les dispositions prises dans le cadre de l'invention sont avantageuses en ce qui concerne la commutation des modes émission à réception et inversement des modes réception à émission. En effet, la diode laser DL est en mode émission lorsqu'elle est parcourue par un fort courant direct et en mode détection, elle est parcourue par un faible courant inverse. Il est donc plus aisé de commuter du mode détection au mode émission que l'inverse. Or, la commutation du mode émission au mode détection s'effectue en un laps de temps relativement important (2 T0) alors que la commutation du mode détection au mode émission doit s'effectuer en laps de temps très court. Enfin, il est à remarquer que les dispositions adoptées laissent libre accès à l'une des extrémités de la fibre optique FO servant d'élément principal de retard. Cette caractéristique peut être mise à profit. La figure 2 représente une variante supplémentaire de réalisation du dispostif selon l'invention tirant profit de cette constatation. On retrouve sur cette figure 2, les éléments principaux du dispositif de la figure 1. Les éléments identiques ne vont pas être redécrits dans ce qui suit. La différence essentielle tient dans le fait que la face de sortie (fig 1: FSR) de la fibre optique FO n'est plus associée directement à un élément réfléchissant ou rendue elle-même réfléchissante. L'extrémité de cette fibre optique est couplée optiquement à un guide d'onde optique GOV de longueur ajustable, longueur désignée par 1. La longueur totale du chemin optique équivalente à la fibre optique FO et au guide d'onde GOV devient donc (L + 1), avec I ajustable. Dans une variante de réalisation possible représentée sur la figure 2, le guide d'onde GOV est constitué de deux bottiers de formes cylindrique B1 et B2 coulissant selon un axe A, axe de symétrie de révolution des deux bottiers cylindriques. Le premier boîtier B1 enserre l'extrémité de la fibre FO, dont la face de sortie f centrée sur l'axe A joue le rôle d'une source de lumière divergente. On dispose, dans ce premier bottier B1, une lentille focalisatrice LF qui transforme le faisceau divergent, émergeant de la face fEy en un faisceau collimaté parallèle à l'axe A. Le fond interne du second boîtier B2 comporte une surface réfléchis- sante SR orthogonale à l'axe A. Le faisceau collimaté est donc réfléchi, retransmis à la lentille LF qui joue alors le rôle de lentille collimatrice et réinjecté dans la fibre optique. Le mode opératoire est alors identique à celui décrit en relation avec la figure 1. Le retard, pour un cycle élémentaire devient donc: T' -2 (L+l>) Ti = 2 (c/n) + TE avec 1 ajustable ou T'C = TC + A T On peut donc par ce moyen ajuster finement la valeur du retard T'C. Tous les moyens habituels tels que vis ou analogues pour régler la valeur de la longueur I du chemin optique du guide d'onde GOV peuvent être utilisés dans le cadre de l'invention. Sur la figure 2, a été figuré schémati- quement un moyen de réglage RI à entraînement par vis. Un exemple de réalisation pratique des circuits de commande CC et de détection CD va maintenant être décrit en regard de la figure 3. Ces circuits CC et CD, dont les fonctions ont été représentées sous la forme de blocs diagrammes sur les figures 1 et 2, sont confondus en un seul circuit physique sur la figure 3. 257083 6 Il comprend tout d'abord un étage d'entrée-sortie de type amplifica- teur différentiel jouant le rôle d'interface avec des circuits (non repré- sentés) de génération de signaux à retarder et d'exploitation de ces signaux retardés par le dispositif de l'invention. Il s'agit dans une application avantageuse du dispositif selon l'invention, des circuits classiques d'un radar, notamment d'un radar à haute résolution, comme il a été précédemment indiqué. L'étage d'entrée-sortie comprend deux transistors T1 et T2, de type NPN, couplés par leurs émetteurs. Les collecteurs de ces transistors sont connectés chacun à une première extrémité d'une résistance de charge, RC1 et RC2 respectivement. L'autre extrémité est reliée à une borne portée à un potentiel positif + V1. Les émetteurs sont reliés, via une source de courant SC à une borne portée à un potentiel négatif - V2. La sortie extérieure de cet étage s'effectue par le collecteur du transistor T1 relié à une borne de sortie BS et l'entrée extérieure par la base de ce transistor reliée à une borne d'entrée BE. Une résistance de charge RB1 est connectée entre la base du transistor T1 et le potentiel zéro représenté par le potentiel de la terre. Les bornes BS et BE jouent le rôle de la borne d'entrée sortie BES représentée sur les figures 1 et 2. Une impulsion à retarder est transmise au dispositif de l'invention via la borne d'entrée BE. Le collecteur du transistor T2 est relié à une ligne à retard LAR et à une bascule monostable BM. La ligne à retard LAR commande, via un condensateur de découplage CI, un transistor à avalanche T3 qui remet en forme l'impulsion à retarder, transmise via l'étage d'entrée-sortie et la ligne à retard. Cette impulsion va servir, sous forme d'une impulsion de courant traversant en sens direct la diode de laser DL à commander l'émission de celle-ci. Le transistor T3 est relié par l'intermédiaire d'une résistancede collecteur RC3 à un potentiel + V égal à sa tension d'avalanche. Un condensateur C2 est disposé entre le collecteur et le potentiel zéro, représenté par le potentiel de la terre. Ce condensateur C2 se charge via la résistance RC3 au potentiel + V et les charges électriques ainsi accumulées se libèrent dans la diode laser DL lorsque le transistor T3 est rendu conducteur, c'est-à-dire lorsque l'impulsion à retarder est transmise à sa base par la ligne à retard LAR et le condensateur de découplage C1. Les charges électriques s'écoulent dans la diode DL au travers d'un circuit série comprenant une résistance de limitation RD et une diode D polarisée en sens direct. " La partie plus spécifiquement réceptrice du dispositif comprend, outre la diode laser DL qui sert également de photodétecteur comme il a été décrit, un transistor F1 à effet de champ et un amplificateur régénérateur A dont la sortie est connectée à la base du transistor T2 de l'étage d'entrée- sortie. Le transistor à effet de champ F1 sert d'interrupteur électronique et est disposé entre une entrée d'amplificateur eA de l'amplificateur A et l'anode de la diode laser DL. Il est commandé, par sa grille, par les signaux de sortie de la bascule monostable BM. La ligne à retard LAR permet de rendre "aveugle" la partie récepteur du dispositif selon l'invention grâce à l'impulsion fournie par la bascule monostable BM qui bloque le transistor à effet de champ F1 quelques nanosecondes avant que la capacité C2 fournisse le courant direct à la diode laser DL. La durée de l'impulsion de la bascule monostable BM correspond au retard apporté par la ligne à retard LAR, typiquement quelques nano- secondes, augmenté du temps nécessaire à la diode laser DL pour revenir à l'état bloqué. Dès que l'impulsion lumineuse est injectée dans la fibre optique F0, la partie récepteur se trouve positionnée en état de veille. Le transistor à effet de champ F1 est passant et la diode D est polarisée en inverse grâce à un circuit série connecté à un potentiel négatif de polarisation - Vp, comprenant, outre la résistance RD, une résistance RP de forte valeur ohmique comparée à la résistance RD. Il faut en effet que la plus grande partie des charges accumulées dans le condensateur C2 s'écoulent dans la diode laser DL et non dans la résistance RP lors de la décharge de ce condensateur. Cette diode D, polarisée en sens inverse isole la diode laser DL de la partie commande. Le photocourant généré par la diode laser fonctionnant en photodétec- teur en présence de l'impulsion lumineuse, après un trajet aller et retour dans la fibre optique F0, est amplifié par l'amplificateur A puisque le transistor à effet de champ F1 est conducteur. En commandant la base du transistor T2 de l'étage différentiel d'entrée-sortie, l'impulsion se retrouve, naturellement inversée, sur le collecteur de ce transistor et est retransmise, via la ligne à retard LAR et le condensateur C1 à la base du transistor T3. Un nouveau cycle recommence de façon identique à ce qui vient d'être décrit. Pour arrêter la recirculation de l'impulsion à retarder, il suffit de rendre "aveugle" le transistor F1 au retour d'une impulsion par l'intermé- diaire de la bascule monostable. Un signal d'arrêt de cycle SAC est appliqué à la bascule monostable. Ce signal est élaboré par les circuits d'utilisation (non illustrés). Il suffit de sélectionner une bascule monostable comportant une porte logique d'inhibition. Cette bascule monostable ainsi d'ailleurs que les autres composants actifs représentés sur la figure 3 sont disponibles dans le commerce sous forme de circuits semiconducteurs intégrés ou discrets. La détermination des valeurs exactes des tensions, ainsi que le dimensionnement des différents composants: résistances, capacités, ligne à retard, etc... dépendent de choix technologiques à la portée de l'homme de métier ainsi que des contraintes imposées par les circuits de génération des impulsions à retarder et des circuits d'exploitation de ces impulsions retardées. A titre d'exemple non limitatif, un tableau I, disposé en fin de la présente description, rassemble des données typiques sur les principaux éléments mis en oeuvre dans le cadre d'une réalisation expérimentale d'un dispositif selon l'invention. L'application envisagée est celle d'un radar à haute résolution. Le circuit de la figure 3 est évidemment compatible avec les variantes de réalisations illustrées par les figures 1 et 2 qui ne diffèrent que par la présence ou non d'un guidé d'onde supplémentaire de longueur variable pour un ajustage fin du temps de parcours. Le dispositif de l'invention n'est pas limité aux seuls exemples de réalisations présentés à titre d'illustration plus complète de l'invention. Notamment de nombreux circuits électriques, à la portée de l'Homme de Métier, sont susceptibles d'accomplir les fonctions de commande et de réception associées à l'organe optoélectronique unique d'émission de lumière et de photodétection. TABLEAU I EXEMPLE DE REALISATION - Fibre optique - type monomode atténuation: 0,5 dB/km (a une longueur d'onde de 1300 nm) - Diode laser: type "GaInAsP" - Longueur de la fibre: 5 km - Retard élémentaire: 50 /us - Nombre de cycles: 10 - Retard total: 0,5 ms - Largeur des Impulsions à retarder: 2 ns - Produit "retard x largeur de bande": > 105. 2S70836 REVENDICATIONS 1. Dispositif à ligne à retard optique circulante comprenant des moyens opto-électroniques d'émission d'une impulsion lumineuse, une fibre optique (FO) présentant un chemin optique de longueur déterminée, formant ladite ligne à retard, couplée optiquement aux moyens opto-électroniques d'émission et guidant cette impulsion lumineuse, des moyens optoélectroni- ques couplés optiquement à la fibre optique pour la détection et la conversion photoélectrique de cette impulsion lumineuse en un signal élec- trique, des moyens de génération (CC) d'un signal électrique de commande de l'émission de l'impulsion lumineuse et des moyens de réception (CD) dudit signal électrique issu de ladite conversion photoélectrique, caractérisé en ce que lesdits moyens opto-électroniques d'émission et de détection sont réalisés sous la forme d'un élément semiconducteur unique constitué par une diode laser semiconductrice (DL) émettant de la lumière sur une longueur d'onde déterminée et ayant des propriétés photodétectrices de lumière de même longueur d'onde; et en ce que cette diode laser (DL) est couplée optiquement à une première extrémité (fe) de ladite fibre optique (FD), et une seconde extrémité (fSR) de cette fibre optique est couplée à des moyens réfléchissant de manière à retransmettre une impulsion lumineuse, émise par la diode laser (DL) et guidée par la fibre optique (FO), vers la diode laser (DL), pour y être détectée et convertie en un signal électrique, apres un aller et retour sur ladite longueur déterminée de la fibre optique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commutation (K) connectant alternativement ladite diode laser (DL) aux moyens de génération (CC) du signal électrique de commande de l'émission d'une impulsion lumineuse, pendant un premier intervalle de temps, et aux moyens de réception (CD), en dehors de cet intervalle de temps. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de réception (CD) comprennent un amplificateur (A) du signal électrique issu de la conversion. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (T2, RC2) de réinjection sélective dudit signal électrique amplifié dans lesdits moyens de génération du signal de com- mande d'émission pour répéter un nombre de fois déterminée un cycle élémentaire comprenant l'émission d'une impulsion lumineuse, un aller et retour de cette impulsion lumineuse sur ladite longueur déterminée du chemin optique présenté par la fibre optique (FO) et la détection et la conversion de cette impulsion lumineuse en un signal électrique,; de manière à multiplier ledit retard par ce nombre. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de génération (CC) d'un signal électrique de commande comprennent un générateur de courant impulsionnel de commande d'émission de la diode laser (DL) comportant un transistor (T3) à avalanche et un circuit capacitif (C2) accumulant des charges s'écoulant, lorsque le transistor est rendu conducteur, au travers d'un circuit série comprenant ce transistor (T3) et une impédance de limitation (RD) de manière à forcer dans la diode laser (DL) un courant dans le sens direct, d'amplitude déterminée. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 5, caracté- risé en ce que la diode laser (DL) est une diode semiconductrice du type "gallium-indium-arsenic-phosphore". 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 6, caracté- risé en ce que lesdits moyens réfléchissants sont constitués par un guide d'onde optique (GOV), de longueur ajustable, couplé par une première extrémité à la seconde extrémité de la fibre optique (fA) et dont une seconde extrémité (SR) est rendue réfléchissante de manière à capter de la lumière émergeant de la fibre optique (FO) de seconde extrémité (fA), la réfléchir et la réinjecter dans la fibre optique (FO), le chemin optique parcouru dans ce guide d'onde étant égal au double de ladite longueur ajustable. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le guide d'onde (GOV) est constitué de deux boîtiers (B1, B2) cylindriques, d'axe de révolution (A) commun, l'un coulissant dans l'autre parallèlement à cet axe (A), et en ce que la seconde extrémité de la fibre optique (FO) traverse le fond du premier boîtier (B1) de manière à émettre de la lumière par sa face de sortie (fA) suivant une direction privilégiée parallèle audit axe (A), une lentille collimatrice (LF) étant disposée dans ce bottier transformant la lumière émise en un faisceau de rayons parallèles, et le fond intérieur du second bottier (B2) est doté d'une surface plane réfléchissante (SR), orthogo- nale à cet axe (à).