Brevet FR2608792A1 — publié le 19880624

DISPOSITIF D'AMPLIFICATION DE SIGNAUX OPTIQUES A MILIEU PHOTOSENSIBLE L'invention concerne un dispositif d'amplification de signaux optiques à milieu photosensible permettant l'amplification d'une onde signal modulée temporellement à haute fréquence. Selon l'invention, l'amplification résulte des phénomènes de couplage d'ondes dans les cristaux photoréfractifs. Ce dispositif présente une réponse du type passe haut ce qui autorise l'amplification de signaux modulés à haute fréquence. Les applications concernent le trai- tement optique du signal et notamment la régénération et l'amplifi- cation de signaux issus d'une fibre optique. Des dispositifs d'amplification d'ondes lumineuses utilisant des éléments photosensibles ont déjà été expérimentés. On trouvera dans le brevet français déposé le 27 février 1981 sous le numéro 81.03989 et publié sous le numéro 2 500 937 la description d'un dispositif optique d'entretien d'une impulsion d'énergie radiante circulant dans un guide d'onde. Ce dispositif utilise un milieu photoréfractif dans lequel interfère le signal à entretenir et une onde de pompage. Un transfert d'énergie a lieu du faisceau de pompage vers le signal à entretenir. Le brevet français déposé le 13 mars 1981 sous le numéro 81.05135 et publié sous le numéro 2 501 872 décrit également un dispositif optique d'amplification en temps réel de l'énergie radiante d'un faisceau. Cet amplificateur met en oeuvre un matériau d'enre- gistrement photosensible dans lequel interfèrent un faisceau objet à amplifier et un faisceau de référence. Ces faisceaux créent, dans le milieu photosensible, un réseau de strates d'indices. Un transfert d'énergie a lieu entre le faisceau de référence et le faisceau objet créant un apport d'énergie au faisceau objet. Pour travailler dans des conditions optimales de transfert d'énergie, cet amplificateur prévoit un déplacement des franges d'interférences soit par un déplacement mécanique du matériau d'enregistrement photosensible, soit par modulation de phase de l'un des faisceaux. Cependant les systèmes connus ne permettent l'amplification de train d'impulsions se présentant à des fréquences élevées tels que les trains d'impulsions transmis dans la technique des télécommuni- cations optiques. En effet, l'inertie des milieux photosensibles ne permet pas l'amplification de ces trains d'impulsions. Le dispositif de l'invention tire profit au contraire de cette inertie pour permettre lamplification d'impulsions se présentant à fréquence élevée. L'invention concerne donc un dispositif d'amplification de signaux optiques à milieu photosensible comprenant: - un milieu à variations d'indices photoinduites; - une première source émettant une onde optique signal vers le milieu photosensible; - l'onde optique signal et l'onde optique de pompe interférant dans le milieu photosensible; caractérisé en ce que: l'onde optique signal est modulée à haute fréquence et présente une longueur d'onde déterminée; l'onde optique de pompe a une longueur cPd'onde très peu différente; le temps de réponse dudit milieu à l'inscription et à l'effacement a une valeur nettement plus grande que la période moyenne de modulation de l'onde signal. Les différents objets et caractéristiques de l'invention appa- raîtront plus clairement à titre d'exemple en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, un dispositif de couplage à deux ondes dans un cristal photoréfractif selon l'art connu; - la figure 2, un dispositif d'amplification cd'un train d'impul- sions selon l'invention; - les figures 3 à 6, des courbes de fonctionnement du dispositif de l'invention; - la figure 7, un exemple de réalisation du dispositif de l'invention; - la figure 8, un schéma explicatif du dispositif de l'invention. Le dispositif de l'invention repose sur les phénomènes de couplage à deux ondes mis en évidence dans les matériaux non linéaires à variation d'indice photoinduite tels que les cristaux photoréfractifs et dont le principe est rappelé sur la figure 1. Une onde pompe (ou référence) IR et une onde signal IS de faible intensité interfèrent dans le volume du cristal photoréfractif 1 (B50, GaAs...). Les phénomènes d'autodiffraction de l'onde pompe IR, par le réseau 10 photoinduit dans le volume du cristal 1, conduisent à l'amplification de l'onde signal IS si il existe un déphasage de W /2 entre le réseau d'indice et la figure d'inter- férence. Dans les cristaux photoréfractifs, il est maintenant bien connu que ce décalage s'obtient par l'une ou l'autre des techniques suivantes: - enregistrement à champ nul Eo = 0 par diffusion des photo- porteurs (BaTiO3, LiNbO3, KNbO3) - enregistrement sous champ appliqué élevé, par exemple E = 10 kV.cm- 1, et déplacement de la figure d'interférence à o vitesse constante. Ce déplacement de la figure d'interférence s'obtient par un décalage en fréquence de l'une des ondes pompe ou signal (BSO, BGO...). Selon l'une ou l'autre de ces techniques d'enregistrement, des gains élevés de l'amplificateur photoréfractif ont été obtenus en continu pour de faibles puissances laser incidentes (I A titre d'exemple, pour des conditions d'enregistrement optimisées dans BaTiO3 ou BSO, l'intensité d'un faisceau signal est amplifiée d'un facteur 103 à 104 après transfert d'énergie de la pompe. Ces conditions d'amplification sont obtenues pour une longueur d'inter- action du cristal de l'ordre de 5 à 10 mm et pour un rapport entre les IR0 intensités des faisceaux pompe-signal de l'ordre de IS = S 103 Suivant les matériaux utilisés, la constante de temps d'établissement du réseau photoinduit varie de 10ms (BSO) à I seconde (BaTiO3) pour une densité de puissance incidente sur le cristal de 100 mW.cm-2 à la longueur d'onde ?s = 514 nm de laser Argon. Bien que le temps de réponse de l'amplificateur est relativement long, l'objet de la présente invention consiste à utiliser l'inertie du cristal pour obtenir l'amplification d'une onde signal modulée en amplitude à haute fréquence, c'est-à-dire pour une référence de modulation répondant à la condition: f rn;; Y étant le temps de réponse du cristal à l'inscription et à l'eflacement. Le schéma du dispositif selon l'invention est indiqué sur la figure 2. Le faisceau signal IS constitué par un train d'impulsions (durée tI; période tl + t2) interfère dans le cristal photoréfractif avec une onde référence. Suivant le matériau utilisé, le décalage spatial entre la figure d'interférence et la variation d'indice photo- induite s'obtient soit par enregistrement à champ nul (Eo = 0) par diffusion des photoporteurs, soit par enregistrement sous champ appliqué Eo = 0 et déplacement de la figure d'interférence à vitesse constante comme cela a été indiqué précédemment. Selon l'invention, Co étant la longueur d'onde moyenne du faisceau signal IS, le déplacement contrôlé de la figure d'inter- férence s'obtient par un décalage en fréquence à bU de l'onde référence par rapport à l'onde signal: 9: étant le temps de réponse du cristal (BSO; BGO; GaAs...). Le temps de réponse du matériau photoréfractif est contrôlé par l'intensité du faisceau pompe. Typiquement, on a les valeurs suivantes correspondant à une intensité incidente sur l'onde pompe -25 de I = 10m W.cm-2. Pour illustrer l'invention on indique que le temps de réponse du cristal photoréfractif à l'enregistrement et à l'effacement peut avoir les valeurs suivantes: 2 " 1 seconde pour BaTiO3 t: quelques 10 ms pour BSO, BGO, Avec ces conditions d'enregistrement, un faisceau signal continu de très faible intensité est amplifié d'un facteur 102- 103 après l'interaction avec l'onde de pompe (longueur du cristal: t.5 - 10 mm). L'objet de l'invention est donc d'obtenir des gains élevés lorsque le faisceau signal est modulé temporellement à haute fréquence. Ce nouveau type d'amplificateur à très large bande passante (réponse du type passehaut) offre donc des perspectives nouvelles pour le traitement optique du signal et la régénération d'impulsions dans une ligne de transmission optique. L'interférence du faisceau modulé avec l'onde référence crée dans le volume du cristal une figure d'interférence dont le taux de modulation est variable en fonction du temps. Pour le signal IS indiqué sur la figure 3, le taux de modulation représenté en figure 4 m évolue périodiquement de la valeur m(t) = m (m étant le taux de modulation correspondant au signal continu) à la valeur m(t) = 0 (effacement partiel du réseau par éclairage uniforme avec l'onde pompe); m = 2. Ce qui donne m = 0,02 pour IR = 10 x IS. La répartition d'intensité lumineuse dans les franges d'interfé- rences s'écrit dans ces conditions: I(x, t) = Io [1 + m(t) cos Kx] m(t) = m 0 dans le cristal. Puisque le cristal n'enregistre que la valeur moyenne dans le temps de la figure d'interférence, rintensité du faisceau signal peut être modulée à fréquence élevée. Le réseau d'indice est inscrit pour toute fréquence de modulation fm telle que: f T F'1 Le cristal se comporte donc comme un filtre passe haut dont la fréquence de coupure vaut: fc= 2It soit pour t = 10 ms (cristal BSO), fc 20 Hz. Le réseau d'indice est donc enregistré dans le cristal pour toute modulation de l'inten- sité de l'onde à fréquence fm supérieure à 20 Hz. En particulier, les modulations rapides (fm MHz-GHz) conviennent. Le réseau ainsi établi dans le cristal photoréfractif est amplifié par les phénomènes de couplage d'ondes. (Autodiffraction de l'onde pompe dans le réseau photoinduit). La variation d'indice après traversée du cristal vaut: An(z =)=A n(z = 0) x expF 2 = coefficient de gain du cristal photoréfractif. Le rendement de diffraction 7 d'un tel réseau dont la profondeur de modulation varie très rapidement en fonction de z s'écrit: 4(_t2 2 =t1+t2) Y exp f Le coefficient de gain 1' est intrinsèque au cristal utilisé et sa valeur dépend des conditions d'enregistrement du réseau (pas des franges, champ appliqué...). Des valeurs du coefficient de gain r comprises entre 3 et 20 par cm ont été mesurées dans la plupart des cristaux photoréfractifs usuels. L'amplitude de l'onde signal transmise par le cristal après interaction avec l'onde pompe peut se mettre sous la forme: T1 =S+Vr7 xR 0 R étant l'amplitude de l'onde de référence. Le gain différentiel sur l'intensité du signal transmis vaut donc: 2 2> (TI)2 - (T2) Gdiff = IS On obtient donc l'expression suivante du gain de l'ampli- ficateur: 4t Gdiff = exp _t 12t 2 Compte-tenu des valeurs de r mesurées dans différents cristaux un signal incident de faible intensité modulé à haute fréquence est amplifié selon les conditions suivantes: Pour une longueur de cristal t = I cm, un rapport cyclique d'impulsion t2/tI = 1, et un coefficient de gain du cristal photo- réfractif de r = 4 cm-1, on obtient un gain de l'amplificateur de Gdiff =15. Pour un coefficient de gain de cristal photoréfractif ayant pour valeur r = 8 cm 1, on obtient: Gdiff = 110 On notera que le signal est amplifié autour d'une composante dont l'intensité moyenne vaut: M Is exp r Le dispositif amplificateur de signaux pour une ligne de transmission optique faisant l'objet du présent brevet est schématisé sur la figure 7. L'onde signal se présentant sous la forme d'un train d'impul- sions, issue de la fibre 5 monomode ou multimode interfère dans le cristal I avec l'onde issue d'un laser semiconducteur monomode 6 jouant le rôle d'oscillateur local. La stabilité de fréquence entre les deux ondes assure l'enregistrement de l'hologramme dynamique dans le cristal photoréfractif qui est choisi en fonction de son domaine de sensibilité spectrale (par exemple GaAs, cristal photosensible aux longueurs d'ondes > = 0,85prm ou A = 1,3pum). Les phénomènes de transfert d'énergie de l'onde pompe vers l'onde signal expliqués précédemment permettent l'amplification du train d'impulsions sans limitation de bande passante (fonction d'amplification avec courbe de réponse en fréquence du type passe haut). Le signal ainsi amplifié peut être détecté sur une photodiode (filtrage de la composante continue) ou, comme cela est représenté sur la figure, réinjecté dans une fibre optique monomode ou multimode 7. Le faisceau lumineux émis par la fibre 5 étant divergeant, on prévoit un dispositif de focalisation 2 focalisant le faisceau dans le cristal photoréfractif 1. Un dispositif de focalisation 3 focalise également le faisceau lumineux émis par la source 6. Le cristal photoréfractif 1 et les dispositifs de focalisation 2 et 3 sont focalisés de manière que le cristal photoréfractif soit situé en un point commun de focalisation des faisceaux issuent de la fibre 5 et de la source 6. Ainsi les phénomènes d'interférences et d'amplification pour transfert d'énergie sont maximums. Un autre dispositif de focalisation 4 focalise le faisceau amplifié issu du cristal photoréfractif 1 et le focalise sur une face d'entrée de la fibre 7. A titre d'exemple, un amplificateur avec un cristal photo- réfractif en arséniure de gallium peut être réalisé en prévoyant un enregistrement des strates à champ nul par diffusion des photo- porteurs et en utilisant pour l'oscillateur local un laser semicon- ducteur de longueur d'émission t = 1,3 pm et de puissance d'émis- sion 1 m W. On peut obtenir un hologramme dynamique ayant: - un diamètre 0 = 100 pm - un pas de stratesA. 1 m - une longueur d'interaction J = 10 mm. La densité de puissance appliqué au cristal photoréfractif est P = 10 W/cm2. On a choisi un cristal photoréfractif GaAs présentant un temps de réponse Z ' I microseconde. La stabilité de fréquence entre les ondes pompe et signal a été maintenue inférieure à (211t)-1: Sf cohérente avec l'onde pompe. - La détection est du type homodyne, c'est-à-dire que le signal détecté résulte de la superposition cohérente des deux ondes suivantes: - onde signal = S - onde autodiffractée -- p L'onde autodiffractée joue le rôle d'onde oscillateur local dont la phase est rigoureusement adaptée en tout point à celle de l'onde signal incidente (figure 8). Dans l'exemple de réalisation qui précède on a considéré que le milieu photosensible était un cristal photoréfractif. Cependant, l'invention est également applicable de manière générale à un dispositif dont le milieu photosensible est fait d'un matériau à variation d'indice à constante de temps d'établissement du phénomène tel que par exemple des matériaux à variation d'indice thermique ou a génération de porteurs dans les semiconducteurs. Par ailleurs, il est bien évident que les exemples numériques n'ont été fournis que pour illustrer la description et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'amplification de signaux optiques à milieu photosensible comprenant: - un milieu à variations d'indices photoinduites (1); - une première source (6) émettant une onde optique signal vers le milieu photosensible; - une deuxième source émettant une onde optique de pompe également vers le milieu photosensible; - l'onde optique signal et l'onde optique de pompe interférant dans le milieu photosensible, caractérisé en ce que: l'onde optique signal est modulée haute fréquence et présente une longueur d'onde déterminée; l'onde optique de pompe a une longueur d'onde très peu différente; le temps de réponse dudit milieu à l'inscription et à l'effacement a une valeur nettement plus grande que la période moyenne de modulation de l'onde signal. 2. Dispositif d'amplification de signaux optiques à milieu photosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un premier dispositif de focalisation (2) focalisant l'onde signal sensiblement au centre du cristal photoréfractif, un deuxième dispositif de focalisation (3) focalisant également l'onde pompe sensiblement au centre du milieu photosensible, celui-ci étant au point commun de focalisation des deux ondes signal et pompe. 3. Dispositif d'amplification selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le milieu à variations d'indices photoinduites (1) est un cristal photoréfractif. 4. Dispositif d'amplification selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le milieu à variations d'indices photoinduites est un milieu à variation thermique d'indice. 5. Dispositif d'amplification selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le milieu à variation d'indices photoinduites est un milieu à génération de porteurs dans un semiconducteur.