Brevet FR2579373A1 — publié le 19860926

La présente invention concerne ur déphaseur pour hyperfréquences en optique intégrez et peut trouver application, entre autres,, dans les équipements hyperfréquences tels que les radars à antenne réseau a orientation par la phase des signau > : hyperfréquences. Le principe de l'antenne réseau commandée en phase est connu depuis relativement longtemps et seE avantages ont été largement explorés ; elle n'a toutefois éte appliquée que dans un nombre remarquablement faible de raaars. Une raison majeure O. la lenteur dans l'adoption de ce principe par les concepteurs de systèmes de défense réside dans les dimensions, le poids et le cot des déphaseurs hyperfrequences programmables qui sont nécessaires au niveau de l'antenne pour chaque élément du réseau. Ces dispositifs doivent commuter avec précision des puissances hyperfréquences importantes et ne doivent apporter que des pertes très faibles.Une seconde raison d'importance similaire est le poids et l'encombrement des câbles coaxiaux à faibles partes utilisés pour relier l'émetteur hyperfréquence a chacun des déphaseurs élémentaires. Décemment, on a constate un accroissement sensible dans l'utilisation de composants optiques dans les réseaux commandes en phase Le point de départ a été le remplacement des cables coaxiaux par des fibres optiques, afin de gagner sur le poids et de bénéficier des caractéristiques essentielles de la transmission optique, a savoir faibles pertes, large bande passante, isolement électrique, absence de toute émission électromagnétique indésirable, absence de diaphonie et la fiabilité obtenue par l'emploi de multiples trajets. redondants à faible poids.Le principe de l'adoption de moyens optiques etant acquis, l'incorporation d'une commande optique de la phase hyperfréquence, de meme que la modulation en hyperfréquen- ces, ont vite été considérées, non seulement comme possibles, mais aussi comme tres souhaitables. La porte etait ouverte 2. la suppression complète des déphaseurs hyperfrêquences de la. tete d'antenne.Cela procurerait une économie substantielle de poids et permettrait aussi l'obtention d une meilleure précision et d'une stabilité accrue dans l'orientation du faisceau d'antenne, par l'utilisation d'un plus grand nombre de bits dans l'ajustement de la phase. A l'heure actuelle,les méthode les plus promette pour pour appliquer une modulation hyeriréquence sur une onde optique sont la modulation d'amplitude directe, via le circuit de commande du laser, QU la modulation d amplitude externe, par exemple par un modulateur de Mach-Zehnder en LiNbO3.Dans le cas de la modulation d'ampIitude, la phase de la modulation hyperfréquence ne peut pas etre altérée par une action sur la phase de 1 'onde porteuse optique (comme ce serait le cas avec la modulation a bande latérale uni que) et, par conséquent, des moyens plus subtils doient etre employés. La présente invention fournit précisément un moyen simple et élégant pour réaliser un tei contrôle de phase. La présente invention propose donc un déphaseur pour hyperfréquences en optique intégrée comprenant un corps monocristallin d'un matériau électro-optique a forte biréfringence, dans lequel est formé un canal de guidage de lumière monomode, adjacent et parallèle 2. une surface plane du corps, l'orientation de ce canal étant dans une direction prédéterminée par rapport au.. axes du cristal, le corps comprenant de plus, sur sa surface plane adjacente a une extrémité du canal, une électrode conformée de manière qu'une conversion de mode TE # TM puisse être appliquée a une onde lumineuse monochromatique entrant dans le canal a cette extrémité par l'application d'une tension de commande continue a cette électrode, la longueur de canal suivant l'électrode dans la direction de propagation de la lumière-étant telle qu un écart de phase prédéterminé est apport entre les modes TE et TM de la lumière émergeant a 1 'autre extrémité du canal par rapport å la lumière à son entrée. Les différents objets et caractéristiques de 1 invention seront maintenant exposés de façon plus détaillée dans la description qui va suivre, faite à titre d exemple non limitatif, en se reportant au figures annexées qui représentent - la figure 1, la configuration fondamentale du dispositif de l'invention, - la figure 2., une configuration en convertisseur de polarisation, - les figures a et 3b, un convertisseur de polarisation accordable, - la figure 4, un déphaser optique} et - les figures 5 et 6, les diagrammes vectoriels des ondes hyperfréquences détectées et résultantes dans de exemples différents. En se référant d'abord à la figure 1, le déphaseur pour hyperfréquences en optique intégrée de l'invention consiste en un corps 1 en matériau électro-optique fortement biréfringent, par exemple en niobate de lithium (LiNbO ) contenant, dans une région proche de sa surface plane 2, un canal de guide d'onde optique monomode intégré .3. Le guide d'onde 3 peut être produit par diffusion interne de titane dans la surface plane du corps 1. ne électrode 4 qui peut effectuer la conversion électrooptique de mode TE # TM est produite sur la surface plane, au-deEsus du guide d'onde, pre d'une extrémité du canal. Les faces extrêmes de la puce 1 sont préparées pour la connexion de fibres optiques a une extrémité, entre le canal de guide d'onde r-..' et une source laser modulée 5 et, a l'autre extrémité, entre le guide d'onde 3 et un photodetecteur 6. On va maintenant en décrire le fonctionnement.Une lumière monochromatique modulée en amplitude a la fréquence f, provenant de la source 5, est envoyée dans le canal de guide d'onde Z. Le convertisseur de mode TE TM est ensuite utilisé pour convertir l'onde lumineuse du mode TE au mode TM ou vice versa,, de tel le façon ous le rapport entre les puissances des modes dé polarisation TE et TM soit R.Si la propagation dans le guide d'onde a lieu selon la direction Y, pour une coupe X ou Z du cristal de LiNbO3, ou selon la direction X, pour une coupe Y ou Z du cristal de LiNb03, les de ondes polarisées orthogonales "TE et TMl se propagent sans couplage, avec des vitesses de phase différentes (Vo et Ve) déterminées par les indices de réfraction différents (n et n ) du cristal de LiNb03 fortement biréfringent. La o e longueur du cristal étant L, le retard relatif (T) à la sortie du guide d'onde, entre des points originairement coincidents des modes TE et TM est donné par une fréquence de modulation données f, ce retard est équivalent a un déphasage de 2"'fT radians.Si les deux modes orthogonaux sont détectés simultanément par un photodétecteur 6, les composantes de modulation seront composées vectoriellement. Ainsi, par exemple, Si la valeur 2ntT est rendue égale à #Z, c'est-a-dire si les de composantes de modulation sont en quadratrure, la phase de la modulation détectée, est simplement tan (R), comme l'indique la fioure 5. Si 2 ##T est supérieur à 71:12, le rapport entre les vecteurs est celui de la figure 6. Par conséquent, le controle de la phase de f se ramène à commander , qui est lui-meme déterminé par une tension de commande continue agissant sur le convertisseur de mode TE # TM. Les principaux avantages de ce dispositif sont ses faibles pertes d'insertion optiques (ce qui provient de sa construction en simple guide rectiligne@, son utilisation efficace de la puissance optique et sa réalisation sous forme intégrée qui permet de fabriquer de nombreux exemplaires sur une meme tranche de cristal. La fabrication du dispositif ne demande pas, comme d'sutures méthodes, l'emploi de deux trajets ayant une différence de longueur précise. I1 n ex. i ste aucune exigence particulière de couper et polir des fibres avec une précision entrême, facteur qui est particulièrement avantageux quand la fréquence de modulation -'étend vers le domaine des onoes millimétriques. En supposant un fonctionnement a une longueur d'onde optique de 0,55 m, une longueur de guide d'onde de 60 mm permettrait une variation de phase de a0 a 90 a la fréquence de 15 GHz. De plus courtes longueurs de guide d'onde permettraient un fonctionnement a des fréquences dépassant 50 GHz. Il serait possible d'étendre la plage des hyperfréquences en-dessous de 15 (3H en utilisant a) des substrats plus grands, QU b) des longueurs appropriées de fibre optique fortement biréfringente (conservant la polarisation).Pour connecter le dispositif à un photodétecteur éloligné 'dans le cas des radars à commande en phase) on peut utiliser une fibre optique monomode ordinaire. Celle--ci possède en générai une birefringence très faible et n'apporterait typiquement pas plus de 0,5 à 15 GHz pour 100 m de fibre. Dans le cas général d'une onde optique d'entrée de polarisation donnée, mais non prédéterminée, un déphaseur drentrée-sortie 7 est nécessaire, comme indiqué a la figure 4, avant le convertisseur de mode TE # TM, afin de faire en sorte que la plage de commande de polarisation reste disponible a 100. Pour que le convertisseur de monomode TE +1b1 TM puisse etre adapté à une source a laser semi-conducteur particulière, un convertisseur de mode accordable peut être utilisé, comme le represente la figure r-. Le canal de guide d onde 3 est alors partiellement recouvert par une élecrode de masse 10 et il est parallèlement accompagné, d un cote, par une électrode d accord 1 i et, de 1 autre coté, par 1 électrode de conversion 12. Le champ électrique dominant Ex est le champ du convertisseur de mode, commande par la tension continue Vi Le champ secondaire Ez est le champ d accord. Il est à noter que l'accord est un effet mineur, requis pour éviter d'avoir à accorder avec précision le dispositif à une source laser particulière. Par exemple, le dispositif peut etre conçu pour une adaptation nominale - 820 nm, alors que la source laser couplée peut avoir une longueur d'onde de 821 nm. REt!ENDICNTIONS 1. Déphaseur pour hyperfréquences en opt i que i nté- grée comprenant un corps monocristallin (1) d'un matériau électro-optique a forte biréfringence, dans lequel est formé un canal de guidage de lumière monomode (.3i, adjacent et parallèle à une surface plane du corps, l'orientation de ce canal étant dans une direction prédéterminée par rapport aux axes du cristal! le corps comprenant de plus, sur sa surface plane (2), adjacente à une extrémité du canal, une électrode (4) conformée de manière qu'une conversion de mode TE = TM puisse etre appliquée a une onde lumineuse monochromatique entrant dans le canal a cette extrémité par l'application d'une tension de commande continue à cette électrode, la longueur de canal suivant l'électrode dans la direction de propagation de la lumière étant telle qu'un écart de phase prédéterminé est apporté entre les modes TE et TM de la lumière émergeant a l'autre extrémité du canal par rapport å la lumière a son entrée. 2. Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu il inclut, sur ladite surface plane (2 > , une électrode par laquelle un déphasage optique peut être appliqué à la lumière se propageant dans ledit canal, avant qu'elle soit soumise a la conversion de mode TE =TM. Déphaseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une partie du guide d'onde biréfringent est réalisée en fibre optique. 4. Déphaseur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que 1 'électrode de conversion de ode TEc TM incorpore des électrodes par lesquelles le convertisseur peut être accordé sur une longueur d'onde optique désirée. 5. Déphaseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un photodétecteur (6) couplé au canal de guide de lumière par une fibre optique monomode.