Brevet FR2642857A1 — publié le 19900810

Dispositif de traitement optoélectronique du signal, notamment pour le traitement de signaux en hyperfréquence. Le domaine de l'invention est celui du traitement du signal, particulierement appliqué aux signaux hyperfréquence. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif optoélectronique destiné à réaliser des opérations de traitement de signaux hyperfréquence, tels que le produit de deux signaux hyperfréquence, par exemple dans le but de réaliser une analyse spectrale du signal, ou encore une opération de corrélation entre deux signaux. Ces exemples d'application sont donnés a titre illustratif et non limitatif, et 1 'homme du métier trouvera d'autres utilisations tirant partie des propriétés du dispositif de l'invention. On connaît que le traitement de signaux hyperfréquence peut être réalisé au moyen de systemes a ondes acoustiques, notamment en utilisant des éléments en céramique piézoélectrique. Toutefois, les systèmes a ondes acoustiques sont limités en fréquence de travail. De plus, pour réaliser le produit de deux signaux hyperfréquence, ils imposent d'utiliser un élément à réponse non linéaire. L'objectif de l'invention est de fournir un dispositif de conception tout a fait différente, utilisant l'optoélectronique, particulièrement sous la forme d'un composant en optique intégrée. De cette manière, il est possible de traiter, par modulation de l'onde optique, des signaux hyperfréquence jusqu'a des fréquences de l'ordre de 15 GHz. Le dispositif optoélectronique de l'invention presente d'autre part l'avantage d'être réalisable de façon compacte, sous faibles dimensions, ce qui le rend apte a former un composant implantable dans une structure plus complexe. Du- fait de leur compacité, lors d'une réalisation sous forme d'un circuit optique intégré, un grand nombre de dispositifs élémentaires peuvent être fabriqués en une seule fois dans un même substrat. Ces objectifs sont atteints à l'aide d'un dispositif optoélectronique de traitement du signal, notamment de signaux hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comprend d'une part un interféromètre alimenté par une source optique, au moins une des branches dudit interféromètre comprenant des moyens de modulation, par un signal hyperfréquence, du signal optique traversant la branche, et d'autre part un détecteur opto-électronique monté en sortie de l'interféromètre, derrière la jonction desdites branches de l'interféromètre. L'utilisation des propriétés d'interférence de l'onde optique sur deux ondes optiques cohérentes, permet ainsi de réaliser le traitement de signaux hyperfréquence sans limitation de bande. De plus, l'optique intégrée permet de réaliser l'interféromètre sur un substrat unique de faibles dimensions. Avantageusement, ledit dispositif comporte un modulateur réglable de mise au biais du dispositif en l'absence de modulation, monté sur l'une des branches de l'interféromètre et destiné a provoquer des interférences destructrices a la jonction de sortie dudit interféromètre. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, d'autre part, ledit détecteur présente une faible bande passante par rapport à l'étendue spectrale des signaux hyperfréquence, de façon a fonctionner en intégrateur du signal de sortie-de l'interféromètre, qui est avantageusement un interféromètre de Mach-Zehnder. Lesdits moyens de modulation de l'interféromètre sont préférentiellement des moyens de modulation de phase du signal hyperfréquence. L'invention a également pour objet un procédé d'utilisation d'un tel dispositif, caractérisé en ce qu'on applique auxdits moyens de modulation de l'interferomètre, un signal hyperfréquence de faible amplitude de façon à maintenir le différentiel maximal de phase entre les signaux optiques traversant les deux branches dans une fourchette de variation prédéterminée. Ceci permet de travailler autour du minimum des interférences, et de réaliser le produit de deux signaux hyperfréquence avec une erreur connue limitée, comme on le verra plus loin. Plus précisément, selon l'invention, l'opération du produit de deux signaux hyperfréquence s'effectue en deux phases on applique chacun desdits signaux hyperfréquence aux moyens de modulation d'une branche différente de l'interféro- mètre on soustrait du signal détecté en sortie du dispositif le carré de chacun des signaux hyperfréquence pris isolément, de façon à obtenir un signal représentatif de ladite opération de produit Avantageusement, le calcul du carré de chacun des signaux hyperfréquence s'effectue en appliquant ledit signal aux moyens de modulation de l'une des branches de l'interféromètre, le signal détecte à la sortie du dispositif étant représentatif du carré dudit signal. La mise en oeuvre de ces opérations doit faire l'objet d'une mise au biais préalable du dispositif, par réglage du modulateur specifique correspondant. Pour une réalisation sous forme d'optique intégrée, le dispositif peut être forme dans un substrat LiNbO3, ayant subi un traitement de diffusion de titane et/oud'échange ionique pour la formation de guides d'ondes. Dans ce cas, les moyens de modulation sont avantageusement constitués par des électrodes déposées sous forme d'une couche metallique, préférentiellement en or. Selon un autre mode de réalisation, on utilise un substrat de matériaux semi-conducteurs tels que GaAlAs et GaInAsP. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront a la lecture de la description suivante du principe de fonctionnement et de modes de réalisation préférentiels de l'invention, donnés à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma fonctionnel du dispositif optoélectronique de traitement du signal selon l'invention ; la figure 2 schématise un mode de réalisation du dispositif de l'invention en optique intégrée. Comme représenté en figure 1, le dispositif optoélectronique de traitement de signaux hyperfréquence, suivant l'invention, comprend une source optique 10, alimentant un interféromètre de Mach-Zehnder constitue de deux branches 11, 12 entre un séparateur optique 13 et une jonction optique 14. La branche 11 est pourvue de moyens 15 de modulation de phase du signal optique qui la parcourt. La branche 12 est pourvue d'une part de moyens 16 de modulation de phase du signal optique qui la parcourt, et d'autre part de seconds moyens 17 de modulation réglables, destines à assurer la mise au biais du système. En aval de la jonction optique 14, un détecteur 18 transforme le signal optique 19 de sortie en signal électrique 20. Les moyens de modulation 15 et 16 des branches 11 et 12 respectivement comportent une entrée 21, 22 pour les signaux à traiter. Le fonctionnement est le -suivant. Sur le bras 11 (resp. 12) un signal sl(t) 21 (resp. S2(t) 22) est appliqué sur le modulateur de phase 15 (resp. 16). Ceci se traduit donc par une modulation de la phase de l'onde optique : Y l(t) pour le bras 11, 2(t) pour le bras 12. Le troisième modulateur de phase 17 présent sur le bras 12 assure qu'en l'absence des signaux sl(t) et s2(t), l'interférence soit destructive au point de jonction 14, par la mise au biais du système. Si deux signaux sl(t) et s2(t) sont appliqués au système, l'intensité de l'onde optique, sur le détecteur 18 sera proportionnelle au terme Ceci résulte de l'effet intégrateur intrinsèque du détecteur . Ce terme peut être considéré égal à avec une bonne précision si 11(t) - W 2(tri reste suffisamment petit En d'autres termes, en réduisant l"'amplitude" de la modulation de phase introduite par la modulation on travaille au minimum des interférences que l'on peut considérer comme quadratiqueavec une erreur limitée. A titre illustratif, l'ordre de grandeur de l'erreur sur le résultat est la suivante La réduction du différentiel de phase s'obtient par exemple par le contrôle et la reduction de la dynamique des signaux hyperfréquence de modulation 21, 22 (sl(t), s2(t)). La limite inférieure du différentiel de phase, lors de la modulation est fixée par le rapport signalibruit tolérable. Or, si la bande passante B du détecteur 18 est petite face à l'étendue spectrale des signaux s1(t) et s2(t), l'intensité à la sortie du détecteur sera fonction du terme avec a ~ 1/B (temps de réaction du détecteur) En effet, l'effet d'intégration du détecteur 18 permet d'obtenir en sortie 20 un signal du typeJ(sl(t) - 52(t))2 = f; s12(t)dt +J & s22(t)dt - 2J g sl(t)s2(t)dt. Connaissant b sl2(t)dt et jg s22(t)dt, il est donc pcssible d'obtenir, par différence, la valeur de Pour obtenir les termes a sl2(t)dt et s22(t)dt, on peut par exemple appliquer chacun des signaux sl(t) et s2(t), au cours de deux phases préalables successives, aux moyens de modulation 15 de l'un Il des bras 11, 12 de l'interféromètre après mise au biais du système et sans moduler le signal optique traversant la seconde branche 12. Les signaux électriques 20 obtenus en sortie du détecteur 18 peuvent ensuite être stockés dans une mémoire, puis réutilisés pour calculer le produit des signaux de modulation s1(t) et s2(t). A la condition de travailler au minimum des interférences avec un détecteur å faible bande, on obtient donc en sortie du dispositif un signal représentatif du produit des deux signaux de modulation sl(t) et s2(t). Ce système permet donc de faire une détection faible bande, -de signaux dont le traitement a été réalisés autour de 10 GHz. (1014 Hz > Ce dispositif peut par exemple trouver å s'appliquer pour - l'analyse spectrale d'un signal hyperfréquence - le calcul du produit de corrélation de deux signaux Application a l'analyse de spectre Si sl(t) = s(t) est un signal à analyser et si s2(t) = A.cos (wtt) avec wt = 2W(fo + f't) (c'est- -dire un signal modulé en fréquence), la sortie du détecteur sera fonction du terme S(t) proportionnel a s(t) cos (wt.t)dt Si Wr varie peu sur l'intervalle to, to +1 on a S (to) proportionnel a s(to +T)cos(2it(fo+f'to)W)dT, ce qui correspond à la valeur réelle de la transformée de Fourier de s(t) pour la fréquence fo + f'to. A titre d'exemple chiffré, on peut noter qu qu'avec les hypothèses suivantes - Puissance de la source de l'ordre du mW (laser ou diode superluminescente D.S.L.) - Pertes de l'optique intégrée, environ 10 db - Fréquences analysées : f compris entre 5 GHz - 15 GH - Résolution B = 100 MHz - Temps de l'analyse = AF x 1 , soit 1 us ; Le rapport signal sur truie est maintenu supérieur å 1000 (bruit de la photodiode utilisée comme détecteur 18), si on reste a mieux que 2 % dans la partie quadratique des interférences ; soit un différentiel maximal de phase de it/4 en modulation (voir plus haut). On peut bien entendu utiliser en parallèle plusieurs dispositifs opto électroniques selon l'invention, par exemple pour obtenir simultanément la partie réelle et la partie imaginaire de la transformée de Fourrier de s(t), ou simplement pour réduire le temps d'analyse. Pour une application de l'invention au calcul du produit de corrélation de deux signaux, l'homme du métier appliquera aisement le dispositif pour l'obtention des coefficients de corrélation Cs1s2 (autocorrelation ou intercorrélation) de deux signaux s1(t) et s2(t) sur un intervalle de temps Z : Le dispositif de l'invention peut avantageusement être réalisé sous forme d'un circuit optique intégré comme représenté en Fig 2. Selon un premier mode de réalisation, il peut être réalisé à partir d'un substrat 25 de LiNb03. Les guides d'ondes 11,12,19,23 peuvent être fabriqués par la technique de diffusion de titane. Dans ce cas, et pour la longueur d'onde 1,3 pm, la largeur des bandes de titane de départ pourra être de 7 uni et leur épaisseur de l'ordre de 800 A (810'8m) . Le temps de diffusion est de 6 heures à une température de 980"C. Les électrodes 15,16,17 permettant d'appliquer le champ électrique de modulation peuvent être obtenues lors d'un deuxième niveau de masquage a partir d'une couche métallique (en or par exemple) dont l'épaisseur est par exemple de 0.3 pm. Pour minimiser les pertes ohmiques, l'angle entre les guides aux embranchements 13,14 est choisi égal à 10 environ. Une technique substituable à la diffusion de titane est l'échange ionique.Celui-ci consiste à plonger le substrat muni du masque approprié darus une solution d'acide benzoïque fondu. Les valeurs numériques sont données à titre illustratif, et non limitatif. D'autres substrats 25 peuvent naturellement être employés pour fabriquer des circuits optiques intégrés. Par exemple, des structures guidantes permettant d'appliquer des champs électriques de modulation peuvent être fabriqués dans des matériaux semiconducteurs tels que ceux basés sur GaAlAs ou GaInAsP. Dans ce cas, la technique privilégiée de réalisation est l'épitaxie. Dans ce cas de modulateurs utilisant le LiNbO3, les tensions de modulation pour obtenir pi de déphasage sur une longueur de 10 mm seront inférieures a 10 volts pour les guides d'ondes considérés ci-dessus utilisés a 1.3 pm. La bande passante de tels modulateurs peut être supérieure de 10 GHz en utilisant des structures d'électrode à ondes progressives (électrodes sous forme de ligne de transmission électrique). Du fait de la compacité des circuits optiques intégrés (largeur effective d'un interféromètre de Mach-Zehnder 100 pm), un grand nombre de dispositifs élémentaires peuvent être fabriqués en une seule fois sur le même substrat. REVENDICATIONS 1. Dispositif opto-électronique de traitement du signal, notamment de signaux en hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comprend d'une part un interféromètre (25) alimenté par une source optique (10), au moins une des branches (11,12) dudit interféromètre (25) comprenant des moyens de modulation (15,16), par un signal hyperfréquence, (21,22) du signal optique traversant la - branche,et d'autre part un détecteur opto-électronique (18) monté en sortie de l'interféromètre (25), derriere la jonction (14) desdites branches (11,12) de l'interféromètre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que I interféromètre est un interféromètre de Mach-Zehnder. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte un modulateur (17) de mise au biais du dispositif en l'absence de modulation, monté sur l'une (12) des branches de l'interféromètre et destiné a provoquer des interférences destructrices à la jonction (14) de sortie dudit interféromètre. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit détecteur (18) présente une faible bande passante par rapport à l'étendue spectrale des signaux hyperfréquence (21,22), de façon à fonctionner en intégrateur du signal de sortie de l'interféromètre. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications de 1 à 4 caractérisé en ce que ledit interféromètre est réalisé en optique intégrée dans un substrat (25) LiNbO3, ayant subi un traitement de diffusion de titane et/ou d'échange ionique pour la formation de guides d'ondes. 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que lesdits moyens de modulation (15,16,17) sont constitués par des electrodes déposées sous forme d'une couche métallique, préférentiellement en or. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications de 1 à 4 caractérisé en ce que ledit interféromètre est réalisé en optique intégrée dans un substrat (25) en matériau semi-conducteur tels que GaAlAs et GaInAsP. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications de 5 à 7 caractérisé en ce que l'angle entre les guides d'ondes optiques formant les branches (11,12) dudit interféromètre, aux embranchements (13,14) desdits guides d'ondes, est d'environ 1". 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 4 caractérisé en ce que les moyens de modulation du signal optique sont des moyens de modulation de phase dudit signal optique. 10. Procédé d'utilisation d'un dispositif selon la revendication 9 pour le traitement de signaux hyperfréquence caractérisé en ce qu'on applique auxdits moyens de modulation (15,16) de l'interféromètre, un signal hyperfréquence (21,22) de faible amplitude de façon à maintenir le différentiel maximal de phase entre les signaux optiques traversant les deux branches (11,12) dans une fourchette de variation prédéterminée. 11. Procédé selon la revendication 10 pour le calcul du produit de deux signaux hyperfréquence caractérisé en ce que on applique chacun desdits signaux hyperfréquence (21,22) aux moyens de modulation (15,16) d'une branche (11,12) différente de l'interféromètre ; on soustrait du signal détecté en sortie du dispositif le carré de chacun des signaux hyperfréquence (21,22) pris isolément, de façon a obtenir un signal représentatif dé ladite opération de produit. 12. Procédé selon la revendication 10 pour les calculs du carré d'un signal hyperfréquence caractérisé en ce qu'on applique ledit signal (21,22) à porter au carré aux moyens de modulation (15,16) de l'une des branches (11,12) de l'interfOromètre, le signal détecté à la sortie du dispositif étant représentatif du carré dudit signal. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 et 12 caractérisé en ce qu'on effectue une mise au biais préalable du dispositif, en l'absence de modulation, de façon à provoquer des interférences destructrices à la sortie dudit interféromètre. 14. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, suivant le procéde selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, pour l'analyse de spectre d'un signal hyperfréquence. 15. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 9 ou 14, suivant le procédé selon l'une quelconque des revendications Il à 13, pour I'intercorréiation de deux signaux.