Brevet FR2622006A1 — publié le 19890421

Procédé et dispositif de traitement d'un faisceau émis par une source laser monofréquence serni-conductrice. L'invention concerne un procédé et un dispositif de traitement d'un faisceau émis par une source laser monofréquence semi-conductrice, notamment en vue d'une analyse fréquentielle pour la mesure de caractéristiques propres du faisceau. Une caractéristique d'un faisceau laser monofréquence, importante à connaitre est sa largeur spectrale. Si l'on considère plus particulièrement un faisceau émis par une source laser monofréquence semi-conductrice, une autre caractéristique fondamentale pour les transmissions en optique cohérente, où l'on utilise la modulation de fréquence, est la variation de la fréquence d'émission du faisceau laser en fonction du courant injecté au niveau de la jonction semi-conductrice. Actuellement, la largeur spectrale d'un faisceau laser monofréquence peut etre mesurée à l'aide d'un interféromètre de PEROT-FABRY. Cependant, un tel dispositif ne permet pas d'obtenir une précision de mesure suffisante. En effet cette précision est limitée à 100 mégahertz environ. Une meilleure précision nécessiterait ltemploi soit d'appareils extremement difficiles à réaliser optiquement, notamment en ce qui con cerne le parallélisme des miroirs, soit d'appareils présentant une grande cavité résonnante, ce qui est mécaniquement très difficile à réaliser. Pour pallier cet inconvénient de précision, il est préférable d'utiliser un dispositif mettant en oeuvre la technique de l'auto-hétérodynage. Cette technique consiste à effectuer une auto-corrélation du faisceau laser en utilisant une valeur instantanée de sa vibration lumineuse associée et sa valeur à un instant décalé d'un retard choisi. Le signal de sortie après auto-corrélation peut être alors analysé sur un analyseur de spectre. Cependant, l'utilisation d'un tel dispositif ne permet pas à lui seul de mesurer la variation de la fréquence d'émission d'un faisceau laser en fonction du courant injecté. Il est nécessaire pour cela d'utiliser à nouveau un interféromètre de PEROT-FABRY, selon une méthode différente de celle utilisée pour la mesure de la largeur spectrale, mais toujours avec la même précision, c'est-à-dire 100 mégahertz environ. Ainsi, un dispositif de mesure permettant d'évaluer la largeur spectrale et la variation de fréquence d'un faisceau laser peut nécessiter deux appareillages distincts. La présente invention remédie à ces inconvénients, en proposant un dispositif unique permettant de mesurer à la fois la largeur spectrale de tout laser monofréquence, en particulier semi-conducteur, et la variation de la fréquence d'émission des lasers monofréquence semi-conducteurs en fonction du courant injecté. Un but de l'invention est d'obtenir par ce dispositif une très bonne précision pouvant aller jusqu'au kilohertz environ. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif peu encombrant et d'emploi facile. La présente invention a donc pour objet un procédé de traitement d'un faisceau émis par une source laser monofréquence semi-conductrice, notamment en vue d'une analyse fréquentielle pour la mesure de caractéristiques propres du faisceau, procédé dans lequel on effectue une auto-corrélation du faisceau laser, en utilisant une valeur instantanée de sa vibration lumineuse associée et sa valeur à un instant décalé d'un retard choisi, caractérisé par le fait que, préalablement à cette auto-corrélation, on injecte dans la source laser un signal de commande sensiblement carré, de période choisie en fonction dudit retard. Selon un aspect de l'invention, lorsque le rapport du retard à la période du signal de commande est sensiblement un nombre entier non nul, de préférence égal à un, le signal de sortie après auto-corrélation comporte une raie et l'on est susceptible de mesurer, notamment à l'aide d'un analyseur de spectre, la largeur spectrale du faisceau laser. Selon un autre aspect de l'invention, lorsque le double du rapport du retard à la période du signal de commande est sensiblement un nombre entier impair, le signal de sortie après auto-corrélation comporte deux raies, dont l'écar- tement est lié à l'amplitude du signal de commande. Avantageusement, on fait varier l'amplitude du signal de commande et l'on observe les variations de l'écart entre les deux raies, ce qui permet d'évaluer la variation de la fréquence d'émission du faisceau laser en fonction du signal de commande injecté L'invention a également pour objet un dispositif de traitement d'un faisceau émis par une source laser monofréquence semi-conductrice, ledit dispositif comprenant des moyens propres à effectuer une auto-corrélation du faisceau laser en utilisant une valeur instantanée de sa vibration lumineuse associée et sa valeur à un instant décalé d'un retard choisi, notamment en vue d'une analyse fréquentielle pour la mesure de caractéristiques propres du faisceau, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un générateur de signal propre à générer un signal de commande sensiblement carré, de période choisie en fonction dudit retard, ledit signal de commande étant susceptible d'être injecté dans la source laser. Dans un mode préféré de réalisation, les moyens propres à effectuer l'auto-corrélation comprennent une fibre optique dont la longueur est au moins égale à la longueur de cohérence de la lumière émise, cette fibre constituant un moyen pour décaler temporellement la vibration lumineuse dudit retard. Avantageusement, les moyens propres à effectuer une autocorrélation comprennent, en outre, un organe diviseur séparant le faisceau laser en deux trajets optiques, dont l'un au moins comprend un organe de retard, les deux trajets étant réunis dans un organe mélangeur, suivi d'un photo-détecteur délivrant un signal électrique de battement représentatif de ladite auto-corrélation et l'un des deux trajets comporte de préférence un déflecteur acousto-optique. De préférence, la fréquence du déflecteur acousto-optique est telle que la mesure des caractéristiques du faisceau ne soit pas perturbée par des phénomènes de repliement de bandes. Avantageusement, la bande passante du'photo-détecteur est la plus élevée possible, de préférence 2 gigahertz, de fa çon à obtenir une grande possibilité de mesure de la variation de la fréquence d'émission du faisceau laser en fonction de l'amplitude du signal de commande injecté. Dans un mode préféré de réalisation, les moyens d'autocorrélation et le générateur de signal sont logés dans un même boîtier portatif. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront à l'examen de la description détaillée ci-après et des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un synoptique schématique d'un dispositif de traitement de l'invention, - la figure 2 est un diagramme représentatif d'une analyse fréquentielle du signal de sortie après auto-corrélation dans un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon 1' invention, - la figure 3 est un diagramme représentatif d'une analyse fréquentielle du signal de sortie après auto-corrélation dans un second mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention et, - la figure 4 est un diagramme représentatif de la variation de la fréquence d'émission du faisceau laser en fonction de l'amplitude du signal de commande. Dans la mesure où ils comportent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain, les dessins annexés font partie intégrante de la description, non seulement pour permettre de mieux faire comprendre celle-ci, mais aussi pour contribuer, le cas échéant, à la définition de l'invention. Si l'on se réfère à la figure 1, on voit que l'on a désigné par 1 dans son ensemble un dispositif de traitement d'un faisceau F émis par une source laser monofréquence semi-conductrice 2. Ce dispositif 1 comprend des moyens d'autocorrélation 3 propres à effectuer une auto-corrélation du faisceau laser F en utilisant la technique de l'auto-hétérodynage, comme il sera expliqué ci-après. Ces moyens d'auto-corrélation 3 comprennent un organe diviseur 7 séparant le faisceau laser F en deux trajets.optiques T1 et T2. Le trajet Tl comprend une fibre optique 6 d'une longueur L au moins égale à la longueur de cohérence de la lumière émise par la source laser 2, afin de décohérer les deux trajets Tl et T2. Puisque cette longueur de cohérence est égale au rapport de la vitesse de la lumière à la largeur spectrale du faisceau, la longueur de fibre utilisée détermine donc la précision de mesure. Dans le mode de réalisation décrit, la longueur de fibre a été prise égale à 10 kms, et son indice vaut environ 1,5 ce qui conduit à une résolution spectrale de 20 kilohertz environ.La vibration lumineuse associée au faisceau laser sur le trajet T1 sera décalée temporellement d'un retard T par propagation dans la fibre optique 6, comme il sera expliqué ci-après. Cette fibre 6 constitue donc un organe de retard. Le trajet T2 comprend un déflecteur acousto-optique 8 modulé à la fréquence n , associé à des éléments de collimation 8a et 8b. La fréquence de modulation du déflecteur acousto-optique est prise égale dans ce mode de réalisation à 200 mégahertz. La justification de cette valeur sera fournie ci-après. Les trajets T1 et T2, après leur passage respectif dans la fibre optique 6 et le déflecteur acousto-optique 8 sont réunis dans un organe mélangeur 9 suivis d'un photo-détecteur au germanium 10. La bande passante de ce photo-détecteur est de l'ordre de 2 gigahertz pour des raisons de mesure, comme expliqué ci-après. Le photo-détecteur 10 est suivi d'un amplificateur large bande ll délivrant au point S un signal de sortie après auto-corrélation. Le photo-détecteur 10 et l'amplificateur large bande ll sont alimentés par une alimentation variable 12. Le dispositif de traitement 1 comprend également un générateur 4 générant un signal de commande sensiblement carré dont l'amplitude est variable et dont la période est choisie en fonction du retard T subi par la vibration lumineuse parcourant le trajet Tl. Ce signal de commande 5 est injecté au niveau de la jonction semi-conductrice de la source laser 2. Les moyens d'auto-corrélation 3 et le générateur du signal 4 sont logés dans un même boîtier portatif 14. La largeur, profondeur et longueur sont respectivement, à titre indi catit, de l'ordre de 200, 150 et 300 mm. Un tel boitier est donc peu encombrant, et de manipulation aisée notamment sur des bancs de mise au point en laboratoire. A ce dispositif de traitement l est associé un-analyseur de spectre 13 susceptible d'effectuer une analyse fréquentielle du signal présent au point S en sortie des moyens d'auto-corrélation 3. On va maintenant se référer également à la figure 2 afin de mieux faire comprendre le fonctionnement du dispositif selon l'invention. Dans un premier temps, ce fonctionnement illustre un premier mode de mise en oeuvre du procédé de traitement selon l'invention, dans lequel on supposera le générateur de signal 4 inactif. Le faisceau laser F arrive sur l'organe diviseur 7 et est divisé en deux trajets Tl et T2. La vibration lumineuse associée au faisceau laser F, sur le trajet optique Tl, est retardée d'un retard T par propagation dans la fibre optique 6. La valeur théorique de ce retard T est égale au produit de l'indice de la fibre optique par le rapport de sa longueur L à la vitesse de-la lumière. En sortie de la fibre optique 6, la vibration lumineuse retardée est injectée dans l'organe mélangeur 9. La vibration lumineuse se propageant sur le trajet optique T2 traverse, après collimation, le déflecteur acousto-optique 8 modulé à la fréquence n . En sortie du déflecteur acousto optique, le faisceau réfléchi et translaté en fréquence est injecté également dans l'organe mélangeur 9. Un signal électrique de battement est réalisé au niveau du photo-détecteur germanium 10 et est amplifié par l'amplificateur large bande 11. Au niveau du point S, le signal électrique de sortie, à l'instant t, est de la forme I (t) = I cos ( t - (t-T) - (t) ) et représente l'autocorrélation du faisceau laser. Ce signal en sortie après auto-corrélation comprend une raie qui est en fait la raie du faisceau laser et son analyse fréquentielle à l'aide de l'analyseur de spectre 13 est représentée sur la figure 2. Sur cette figure 2, on retrouve une lorentzienne représentative de cette raie centrale RC du faisceau laser, centrée sur la fréquence n du détecteur acousto-optique, ainsi que la raie homologue centrée sur la fréquence - n Cette raie RC permet d'effectuer une mesure à trois décibels aF3, représentant le double de la largeur spectrale du faisceau laser, car il s'agit d'une auto-corrélation. Des phénomènes de repliement de bande sur l'analyseur de spectre peuvent perturber la mesure A F3 si le rapport n sur nF3 n'est pas suffisant. En fait, pour une mesure correcte, la perturbation due au phénomène de repliement de bande doit rester inférieure à 1%. Il faut donc que le rapport n sur aF3 soit au moins égal à 4. Si l'on veut couvrir par ce dispositif de traitement l'ensemble des sources monofréquence, qu'il s'agisse de laser à gaz ou de laser semiconducteur, ce qui correspond à des largeurs spectrales inférieures ou égales à 50 mégahertz, il est nécessaire de choisir une fréquence de modulation au moins égale à 200 mégahertz. On va maintenant se référer également aux figures 3 et 4 afin de décrire en second mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans ce second mode de mise en oeuvre, le générateur de signal 4 est actif. Dans ce cas, le principe de fonctionnement du dispositif de traitement selon l'invention est fondé sur le fait que dans un laser monofréquence semi-conducteur, toute variation du courant injecté au niveau de la jonction semi-conductrice modifie la fréquence d'émission du laser. Le générateur 4 émet donc un signal de commande sensiblement carré ayant un état haut et un état bas. L'amplitude de ce signal est variable et sa période est choisie en fonction du retard T subi par la vibration lumineuse lors de son passage dans la fibre optique 6. On admettra dans la suite que, lorsque l'état haut du signal carré est injecté dans la source laser 2, le laser émet la fréquence Fl et lorsque l'état bas est injecté dans la source laser 2, le laser émet la fréquence FO. Dans un premier temps, on choisit la période du signal de commande de façon que le rapport du retard T à la période du signal de commande etard/période) soit sensiblement égal à un nombre entier non nul. On choisira de préférence un réglage de façon que ce rapport soit égal à 1. Cependant, une variation inférieure à 5% dans le réglage ne pertube pas la mesure. Dans ce cas, la vibration lumineuse retardée provenant du trajet Tl et la vibration lumineuse modulée provenant du trajet T2 arrive en phase sur le photo-détecteur 10 et le signal observé au point S correspond au battement (Fl, Fl + n) lors de l'injection d'un état haut et (Fo, Fo+n) lors de l'injection d'un état bas. Le signal en sortie au point S comporte alors également une seule raie et l'on retrouve sur l'analyseur de spectre 13 une courbe identique à celle de la figure 2. Si, maintenant, on choisit la période du signal de commande de telle sorte que le double du rapport de retard T à cette période du signal de commande soit sensiblement un nombre entier impair, de préférence égal à 1, la vibration lumineuse retardée et la vibration lumineuse modulée arrivent en opposition de phase sur le photo-détecteur 10 et le signal au point S correspond au battement (Fl+n, Fo) pour l'état haut du signal de commande, ou (Fl, Fo+n) lors d'un état bas du signal de commande. Le signal de sortie après auto-corrélation, comporte alors deux raies qui sont en fait un dédoublement de la raie centrale du laser. L'écartement de ces deux raies est lié à l'amplitude du signal de commande (intensité du courant injecté). Si l'on observe le signal de sortie de l'analyseur de spectre 13, on observe une représentation analogue à celle représentée sur la figure 3. L'homme de l'art remarquera que sur cette représentation, on a négligé les phénomènes de repliement de bande. On observe donc bien deux lorentziennes représentatives d'un dédoublement de la raie centrale en deux raies RCl et RC2 symétriques par rapport à la fréquence de modulation n. On peut déterminer ainsi pour une intensité du courant injecté, c'est-à-dire pour une valeur de l'amplitude du signal de commande, un écart Q F de fréquence d'émission du faisceau laser. Bien entendu, sur cette figure 3, on retrouve les deux raies homologues des raies RCl et RC2 centrées sur la fréquence - n. A période du signal de commande constante, en faisant varier l'amplitude de ce signal, on obtiendra un écartement variable des deux raies RCl et RC2 et l'on pourra ainsi déterminer la variation de la fréquence d'émission du faisceau laser en fonction de l'intensité du courant injecté. On obtient alors un diagramme tel que celui représenté sur la figure 4. Le phénomène de repliement de bande est moins gênant dans l'évaluation de la mesure de cette variation de fréquence d'émission du faisceau laser car, dans le cas où ce phénomène se produit, c'est-à-dire dans le cas où la raie RC2 se rapproche de l'origine, on peut toujours effectuer la mesure sur la raie supérieure RCl. En tout état de cause, il faut que le mélangeur ait une bande passante la plus élevée possible pour pouvoir détecter l'écart maximum de fréquence. Dans le mode de mise en oeuvre décrit, la bande passante est de l'ordre de 2 gigahertz. L'invention peut comporter des variantes, notamment les suivantes: - le déflecteur acousto-optique 8 peut être incorporé dans le trajet T1 et on peut également imaginer d'insérer un autre circuit de retard dans le trajet T2, - la mesure de la largeur spectrale du faisceau laser peut s'effectuer, soit comme il a été décrit, en n'utilisant pas le générateur de signal 4 ou bien en injectant au niveau de la jonction semi-conductrice, un signal de commande de période convenable, - l'homme de l'art comprendra que les moyens d'auto-corrélation du dispositif de traitement selon l'invention pris seuls peuvent permettre l'évaluation de la largeur spectrale de tout faisceau laser monofréquence. Revendications. 1 - Procédé de traitement d'un faisceau (F) émis par une source laser monofréquence semi-conductrice (2) notamment en vue d'une analyse fréquentielle pour la mesure de caractéristiques propres du faisceau (F), procédé dans lequel on effectue une auto-corrélation du faisceau laser (F) en utilisant une valeur instantanée de sa vibration lumineuse associée et sa valeur à un instant décalé d'un retard (T) choisi, caractérisé par le fait que, préalablement à cette auto-corrélation, on injecte dans la source laser (2) un signal de commande (5) sensiblement carré, de période choisie en fonction dudit retard (T). 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le rapport du retard (T) à la période du signal de commande (5), est sensiblement égal à un nombre entier non nul, de préférence égal à 1, le signal de sortie après auto-corrélation comportant une raie (RC). 3 - Procédé selon la revendication l, caractérisé par le fait que le double du rapport du retard (T) à la période du signal de commande (5) est sensiblement égal à un nombre entier impair, le signal de sortie après auto-corrélation comportant deux raies (RC1, RC2) dont l'écartement est lié à l'amplitude du signal de commande (5). 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on fait varier l'amplitude du signal de commande (5) et qu'on observe les variations de l'écart entre les deux raies (RC1, RC2), ce qui permet d'évaluer la variation (AF) de la fréquence d'émission du faisceau laser en fonction du signal de commande (5). 5 - Dispositif de traitement (1) d'un faisceau (F) émis par une source laser monofréquence semi-conductrice (2), ledit dispositif (1) comprenant des moyens (3) propres à effectuer une auto-corrélation du faisceau laser (F) en utilisant une valeur instantanée de sa vibration lumineuse associée et sa valeur à un instant décalé d'un retard (T) choisi, notamment en vue d'une analyse fréquentielle pour la mesure de caractéristiques propres du faisceau caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un générateur de signal (4), propre à générer un signal de commande (5) sensiblement carré de période choisie en fonction dudit retard (T), ledit signal de commande (5) étant susceptible d'être injecté dans la source laser (2). 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en en ce que lorsque le rapport du retard (T) à la période du signal de commande est sensiblement égal à un nombre entier non nul, de préférence égal à 1, le signal de sortie après auto-corrélation comporte une raie (RC). 7 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lorsque le double du rapport du retard (T) à la période du signal de commande est sensiblement égal à un nombre entier impair, le signal de sortie après auto-corrélation comporte deux raies, dont l'écartement est lié à l'amplitude du signal de commande. 8 - Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'amplitude du signal de commande (5) est variable. 9 - Dispositif selon les revendications 7 et 8 prises en combinaison, caractérisé en ce que l'observation des variations de l'écart entre les deux raies (RCl, RC2) permet d'évaluer la variation bF) de la fréquence d'émission du faisceau laser en fonction du signal de commande. 10 - Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que les moyens (3) propres à effectuer une auto-corrélation comprennent une fibre optique (6), dont la longueur (L) est au moins égale à la longueur de cohérence de la lumière émise, cette fibre (6) constituant un moyen pour retarder la vibration lumineuse. 11 - Dispositif selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que les moyens (3) propres à effectuer une auto-corrélation comprennent un organe diviseur (7) séparant le faisceau laser (F) en deux trajets optiques (Tl, T2), dont l'un au moins (T1) comprend un organe de retard (6), les deux trajets (Tl, T2) étant réunis dans un organe mélangeur (9), suivi d'un photo-détecteur (10) délivrant un signal électrique de battement représentatif de ladite autocorrélation, et en ce que l'un (T2) des deux trajets (T1, T2) comporte un déflecteur acousto-optique (8). 12 - Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la fréquence du déflecteur acousto-optique (8) est telle que la mesure des caractéristiques du faisceau (F) ne soit pas perturbée par des phénomènes de repliement de bande. 13 - Dispositif selon l'une des revendications ll et 12, caractérisé en ce que la bande passante du photo-détecteur (10) est la plus élevée possible, de préférence 2 gigahertz, de façon à obtenir une grande possibilité de mesure de la variation de la fréquence d'émission du faisceau laser (F) en fonction de l'amplitude du signal de commande (5) injecté. 14 - Dispositif selon l'une des revendications 5 à 13, caractérisé en ce que les moyens d'auto-corrélation (3) et le générateur de signal (4) sont logés dans un même boîtier portatif (14).