Brevet FR2642923A1 — publié le 19900810

DISPOSITIF DE TRAITEMENT OPTIQUE DU SIGNAL, NOTAMMENT DE SIGNAUX BYPERFREQUENCE, A COUPLEURS OPTIQUES A ONDES EVANESCENTES, ET UTILISATION D.UN TEL DISPOSITIF. Le domaine de l'invention est le traitement optique du signal. Plus précisément, l'invention concerne un système optique de traitement du signal, notamment pour la soustraction ou la multiplication de signaux, utilisant des ondes optiques guidées incohérentes entres elles. Les applications concernent notamment le traitement des signaux hyperfréquences, mais sont transposables à d'autres utilisations. Dans la plupart des opérations de traitement du signal, il est necessaire de realiser la soustraction de signaux. Or, executer une opération de soustraction sur un signal optique nécessite une approche particulière, l'intensité de la lumière ne pouvant être que positive. On connaît trois procédés permettant de pallier cet inconvénient, comme décrit dans l'article : "Fiber Optic Delay line Signal Processors", K.P Jackson et Coll., dans "Optical Signal Processing",J.L Horner, Academic Press, Inc.: Un premier procédé est de réaliser des systèmes optiques ne mettant en oeuvre que des additions. Cette solution, qui convient pour un certain nombre d'applications (filtrage,..), n'est clairement pas applicable dans chaque cas de traitement du signal. Le deuxième procédé consiste à utiliser deux detecteurs opto-électroniques et à réaliser la soustraction sur les signaux électriques. Outre la complexité, l'inconvénient est qu'une fois la soustraction réalisée, le signal n'est plus disponible sous la forme optique mais électrique, avec les problèmes de perte apparaissant au niveau des transducteurs opto-électronique, et éventuellement des transducteurs électro-optiques de reconversion de signal résultant sous forme optique. La troisième solution connue consiste en l'utilisation des propriétés de coherence de la lumière. Bien que cette approche soit séduisante, elle reste complexe car elle nécessite que les chemins optiques soient stables avec une précision inférieure à la longueur d'onde de la lumière utilisée. Dans le domaine des hyperfréquences, il faudrait en effet réaliser des dispositifs présentant une longueur optique de 100 mètres environ, avec une précision de l'ordre du micron. Un procédé basé sur ce principe de fonctionnement et permettant une auto-compensation des chemins optiques a été proposé, comme décrit dans le document de brevet français 8704725 concernant un "Dispositif de traitement cohérent utilisant une ligne à retard optique". La méthode préconisée présente néanmoins les inconvénients d'être complexe et de produire un mauvais rapport signal sur bruit. L'objectif de l'invention est de fournir un dispositif optique de traitement du signal susceptible de fonctionner de façon simple, fiable, avec un bon rapport signal sur bruit. Le dispositif de l'invention permet en outre de réaliser efficacement non seulement des opérations de soustraction sur des signaux optiques, par exemple pour réaliser un traitement de filtrage, mais également des opérations de multiplication de signaux, utilisables pour des traitements d'inter correlation ou encore d'analyse spectrale de signaux. Plus précisément, dans le cas de l'analyse spectrale d'un signal, on sait que l'intercorrélation d'un signal s(t) avec un signal sinusoidal de fréquence x est égale à la valeur de la transformée de Fourier du signal à cette fréquence x. Cette propriété bien connue est largement utilisée dans les analyseurs de spectre. L'inconvénient de cette méthode est qu'elle nécessite un synthétiseur de fréquence pour chacune des fréquences analysées ou à frequence variable. Le dispositif de l'invention permet notamment de pallier cet inconvenient. Le dispositif de l'invention présente en oùtre l'avantage de constituer un élement intégrable à des systèmes plus complexes d'acheminement et de traitement du signal. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints à l'aide d'un dispositif de traitement optique de signal caractérise en ce qu'il comporte un jeu de deux coupleurs optiques du type comportant d'une part au moins une voie d'entrée et/ou sortie, et d'autre part deux voies parallèles de sortie et/ou entrée, les coupleurs étant montés en opposition et relies l'un à'l'autre par leurs deux voies parallèles d'entrée et/ou sortie, en ce que la voie d'entrée du premier coupleur est alimentée par une source optique, la voie de sortie du second coupleur fournissant un signal optique représentatif du traitement du signal effectué par le dispositif, et en ce qu'au moins un desdits coupleurs optiques est un coupleur optique à ondes evanescentes. L'utilisation d'un coupleur optique à ondes évanescentes presente l'avantage de permettre la modulation du signal optique traversant le dispositif dans le domaine des hyperfréquences, et notamment jusqu'à des fréquences de l'ordre de 15 GHz. En outre, les propriétés des coupleurs optiques à ondes évanescentes s'appliquent surprenament bien pour la réalisation d'opérations de traitement du signal aussi diverses que la soustraction de deux signaux ou encore le produit de deux signaux, notamment, comme on le verra ciaprès. Selon une caractéristique importante de l'invention, on réalise un traitement incohérent sur au moins l'une des delx voies parallèles de liaison des coupleurs, notamment de façon à réaliser le couplage de deux signaux optiques incohérents dans le coup leur de sortie du dispositif. Selon un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, notamment pour la réalisation d'opérations de soustraction de signaux, le dispositif, qui peut posséder des moyens de réaliser un traitement incohérent sur chacune des deux voies de liaison des coupleurs, comprend l'un des coupleurs étant un coupleur à ondes évanescentes, et l'autre desdits coupleurs étant un coupleur passif, la sortie du dispositif étant représentative de la soustraction des traitements incohérents réalisés sur chacune desdites voies parallèles de liaison des coupleurs. Dans ce mode de réalisation, les moyens de traitements incohérents appartiennent avantageusement au groupe comprenant les interféromètres (mais utilisés en mode incohérent) et les lignes à recirculation. Selon un second mode de réalisation avantageux de l'invention, notamment pour la réalisation d'opérations de multiplication de deux signaux, les deux coupleurs sont des coupleurs optiques à ondes évanescentes, et on applique au premier coupleur un premier signal de modulation, et au second coupleur un second signal de modulation, le signal de sortie dudit dispositif étant représentatif du produit desdits premiers et seconds signaux de modulation. Dans le cas de l'application d'un tel dispositif à l'analyse spectrale d'un signal, chacune desdites voies de liaison des coupleurs comporte un filtre optique passe-bande autour d'une fréquence W0 et de largeur 6 W, et lesdits coupleurs sont modulés par un même signal de modulation, la sortie dudit dispositif étant représentative de la densite spectrale du signal à la fréquence W0. Dans tous les cas (multiplication et soustraction) ladite source optique est avantageusement une source lumineuse à faible longueur de cohérence, telle qu'une diode superluminescente, et lesdites voies de liaison des coupleurs présentent entre elles un différentiel de longueur de leurs chemins optiques supérieur à la longueur de cohérence de ladite source. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture suivante de quelques modes de réalisation préférentiels de l'invention donnés à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels la figure 1 schématise le fonctionnement d'un coupleur optique à ondes évanescentes, du type coupleur Y, utilisé dans le dispositif de l'invention ; la figure 2 schématise la structure d'un mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, dans une utilisation mettant en oeuvre une opération de soustraction, par exemple pour un traitement de filtrage d'un signal hyperfréquence ;; la figure 3 schématise la structure d'un mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, pour la mise en oeuvre d'une opération de produit de deux signaux hyperfréquences . la figure 4 illustre la structure d'un mode de réalisation du dispositif de l'invention, applicable au calcul d'intercorrelation de deux signaux ; . la figure 5 illustre un mode de réalisation de la structure du dispositif de l'invention, pour le calcul simultané et parallèle de l'intercorrélation de deux signaux, pour plusieurs retards ; la figure 6 illustre un mode de réalisation de la structure du dispositif suivant l'invention, pour l'analyse spectrale d'un signal. Le dispositif de l'invention consiste à realiser des montages utilisant des coupleurs optiques à ondes évanescentes, tels que par exemple les "COBRA" (M. Papuchon, Rev. Tech. Thomson-CSF, vol 6, 1974, p. 983) ou les "coupleurs Y (S. Thaniyavarn Electronics Letters, 28 août 1986, Vol. 22, n 8). Ces coupleurs ont essentiellement été utilisés jusqu'à présent pour effectuer des opérations de commutation sur les deux voies de sortie parallèles "droite/gauche". Comme schématisé en Fig. 1, ces coupleurs 10 présentent les caractéristiques suivantes. Ils permettent de moduler une onde optique 13 jusqu'à des fréquences de l'ordre de 15 GHz, par un signal électrique de modulation 14. Ils présentent deux sorties optiques 11, 12, dont les intensités sont respectivement Io- re + s(t)3 et Io[i - s(t)), où Io est l'intensité lumineuse de l'onde optique 13 fournie par une source optique 15 à l'entrée de l'élément optique intégré 10 s(t) est le signal hyperfréquence 14 applique au modulateur du coupleur 10. Ces coupleurs permettent donc de disposer, en parallèle, des signaux s(t) et -s(t). Cette propriété des coupleurs optiques à ondes évanescentes, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont utilisées suivant l'invention pour la réalisation d'opérations de traitement de signaux, notamment mais non exclusivement de signaux hyperfréquence, telles que des opérations de soustraction ou de multiplication, et les traitements dérivés utilisant ces opérations arithmétiques. Soustraction de signaux La figure 2 illustre un mode de réalisation de l'invention permettant de réaliser une opération de filtrage sur un signal hyperfréquence 24. Pour cette application, chacune des sorties 11, 12 du coupleur à ondes évanescentes est reliée à un filtre à fibre optique 21, 22 constitué d'interféromètres de Mach-Zehnder et/ou de lignes à recirculation. Chacun de ces filtres 21, 22 ne permet de réaliser que des coefficients positifs. Cependant si on relie leurs sorties 25, 26 à l'aide d'un coupleur passif 17, la sortie 23 de ce coupleur 17 sera proportionnelle à la soustraction des deux fonctions de transfert des filtres 21, 22 ce qui revient indirectement à réaliser des coefficients négatifs. En effet, si on pose AS (w) = 5 s(t) eiwt dt (transformée de Fourier du signal de modulation s(t) 24) Rtw) = )e(t)eiwt dt (transformée de Fourier du signal de sortie R(t) 23) alors on a R(w) = tH1(w) - H2(w)) s(w) + CH1(0) + H2(0)) d(w) avec d(w) : fonction de Dirac H1(w) : fonction de transfert de la voie 21 H2 (w) : fonction de transfert de la voie 22 La fonction de transfert globale H1 (w) - H2(w) permet donc de réaliser des coefficients negatifs. L'intérêt de cette approche est qu'elle permet une grande souplesse pour la réalisation des filtres 21, 22. Elle permet de cumuler les avantages des systèmes incohérents, comme par exemple la réalisation de filtre récursif, tout en se libérant de la contrainte de ne pouvoir réaliser que des additions ou des multiplications par des coefficients positifs. Â l'heure actuelle, cela est beaucoup plus difficile a obtenir avec des systèmes utilisant les propriétés de cohérence de la lumiere. MultiPlication de signaux L1invention permet la réalisation d'une opération de produit de deux signaux, notamment de signaux hyperfréquence, par la coopération de deux coupleurs à ondes évanescentes. En effet, si on cascade deux coupleurs à ondes évanescentes 31, 32 (Fig. 3), il est possible de réaliser la multiplication de deux signaux hyperfréquence s(t) 33 et s2(t) 34. I1 suffit que chacun des deux signaux 33, 34 soit appliqué à un des coupleurs 31, 32 pour que la sortie 35 de ce système contienne une information sur le produit de ces signaux. De plus, si la détection du signal optique est réalisée avec un détecteur 36 à faible bande passante, le résultat qu'on obtient est la valeur moyenne de ce signal sur un intervalle de temps de l'ordre de l'inverse de la bande passante. I1 est intéressant que le détecteur 36 ait une faible bande passante car cela limite le bruit photonique qui, sinon, peut être important pour les systèmes à fibre optique puisque les puissances détectées sont en général faibles. Une démonstration mathématique peut être la suivante soient . s1(t), sz(t) : signaux hyperfréquence, . dF : bande passante de détection du détecteur 36. La sortie 35 du détecteur 36 est proportionnelle à 2/6 Re [ # wso H(w)S1(w)S* (w)dw] + H (O) où . s1 (w) est la transformée de Fourier de 81 (t) . S2(w) est le complexe conjugue de celle de S2(t), et . Re[X] représente la partie reelle de X. Cette propriété de l'association de deux coupleurs à ondes évanescentes 31, 32, trouve application dans un certain nombre d'utilisations dont deux vont être présentées a titre non limitatif. La figure 4 représente un mode de réalisation du dispositif de l'invention pour des opérations d'intercorrélation. La source optique alimente un premier coupleur 41 à ondes évanescentes, et un second coupleur 42 à ondes évanescentes, montés tête bêche. Les deux coupleurs 41, 42 sont alimentés respectivement par un signal de modulation sl(t) 45 et s2tt) 46. Les deux voues de liaison 43, 44 introduisent un retard Z. Le signal 47 R(t) de sortie du second coupleur 42 alimente un détecteur 48. La sortie du détecteur 48, qui fonctionne en intégrateur, #1/d dR(t)dt est proportionnelle à : + 1F F s1 (t) s2(t +t )dt Le système travaillant en optique incohérente, une grande souplesse de mise en oeuvre est permise. Par exemple on peut connaître la valeur de l'intercorrélation simultanément pour plusieurs retards (zl, z2, z3, ... zn), à l'aide du montage à coupleur unique d'entrée 51, et coupleurs multiples de sortie 52 - 52 connectés chacun. a une ligne à retard distincte, comme schématisé en figure 5. L'invention s'applique également à l'analyse d'un signal dans une fenêtre spectrale. Le dispositif correspondant est représenté en Fig. 6, et comporte deux filtres identiques 67 de fonction de transfert H(w) sur les voies 63, 64 de liaison des coupleurs à ondes évanescentes 61, 62. La partie reelle de la fonction de transfert H(x) réalisée par les filtres à fibre optique joue le rôle de filtre passe bande autour d'une fréquence wOet de largeurs w et les deux modulateurs sont commandés par le même signal s(t) 65, 66. Dans ce cas la sortie du système est une fonction linéaire de la densite spectrale du signal à la fréquence wo. - Pour un bon fonctionnement du dispositif de l'invention, il est indispensable que les deux ondes optiques soient incoherentes entre elles. Ceci peut être réalisé, par exemple, en utilisant une source à faible longueur de cohérence et en imposant une légère différence de longueur pour les differents chemins optiques des filtres. Cette différence doit être supérieure à cette longueur de cohérence. Les longueurs de cohérences des diodes superluminescentes (DSL) sont si petites (~ 40 ssm) que la condition qui vient d'être énoncée est aisément réalisée et n'entraîne pas de conséquences sur l'opération de traitement de signal désirée. REVENDICATIONS 1. Dispositif de traitement optique du signal, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un jeu de deux coupleurs optiques (20, 17 ; 31, 32 ; 41, 42 ; 51, 52t à 52n ; 61, 62) du type comportant chacun d'une part au moins une voie (13) d'entrée et/ou de sortie, et d'autre part deux voies parallèles (11, 12 ; 43,44 ; 63, 64) de sortie et /ou d'entrée, lesdits coupleurs (20, 17 ; 31, 32 ; 41, 42 ; 51, 521 à 52n ; 61 62) étant montés en opposition et reliés l'un à l'autre par leurs deux voies parallèles (11, 12 ; 43,44 63, 64) d'entrée et/ou de sortie respectives, t en ce que la voie d'entrée du premier coupleur (20, 31, 41t 51, 61) est alimentee par une source optique (15), la voie de sortie du second coupleur (17, 32, 42, 521 à 52nr 62) fournissant un signal optique représentatif du traitement effectue par le dispositif, et en ce qu'au moins un desdits coupleurs optiques (20 ; 31, 32 ; 41, 42 ; 51, 521 à 52n ; 61, 62) est un coupleur optique à ondes évanescentes. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit coupleur optique à ondes évanescentes comporte une entre de modulation du signal optique qui le parcourt, par un signal électrique de modulation (14 ; 24 t 33, 34 t 45, 46 ; 65, 66). 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (21, 22 ; 37 ; 67, 68) de réaliser un traitement incohérent sur au moins l'une des deux voies parallèles de liaison des coupleurs 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, notamment pour la réalisation d'opérations de soustraction de signaux, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (21, 22) de réaliser un traitement incohérent au moins des deux voies (11, 12) de liaison des coupleurs (20, 17), et en ce que l'un (20) des coupleurs est un coupleur à ondes évanescentes, et l'autre (17) desdits coupleurs est un coupleur passif, la sortie (23) du dispositif etant représentative de la soustraction des traitements incohérents réalisés sur chacune desdites voies parallèles (11, 12) de liaison des coupleurs. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que lesdits moyens (21, 22) de traitements incohérents appartiennent au groupe comprenant les interféromètres utilisé en mode incohérent et les lignes à recirculation. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, notamment pour la réalisation d'opérations de multiplication de deux signaux, caractérisé en ce que les deux coupleurs (31, 32 ; 41 ; 51, 521 à 52n) sont des coupleurs optiques à ondes évanescentes, et en ce qu'on applique au premier coupleur un premier signal de modulation (33, 45), et au second coupleur (32, 42, 521 à 52n) un second signal de modulation, le signal de sortie dudit dispositif etant représentatif du produit desdits premiers et seconds signaux de modulation. 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'on place un détecteur optoélectronique (36, 48, 69) à faible bande passante en sortie dudit dispositif. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, notamment pour réaliser l'analyse spectrale d'un signal, caractérisé en ce que chacune desdites voies (43, 64) de liaison des coupleurs (61, 62) comporte un filtre optique passe-bande (67, 68) autour d'une fréquence W0 et de largeur DW, et en ce que lesdits coupleurs (61, 62) sont modulés par un même signal s(t) (65, 66) de modulation, la sortie dudit dispositif étant représentative de la densité spectrale du signal s(t) à la fréquence W0. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, et 6 â 8 caractérisé en ce que ladite source (15) est une source lumineuse à faible longueur de cohérence, et en ce que lesdites voies de liaison et/ou moyens de traitement des voies de liaison des coupleurs présentent entre eux un différentiel de longueur de leurs chemins optiques supérieur à la longueur de cohérence de ladite source (15). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, et 6 à 9 caractérisé en ce que ladite source lumineuse (15) est constituée par une diode superluminescente. 11. Utilisation du dispositif selon ltune quelconque des revendications 1 à 10 pour les opérations de traitement du signal appartenant au groupe comprenant la soustraction de deux signaux, le filtrage d'un signal, le calcul du produit de deux signaux, itautocorrélation d'un signal', l'intercorrélation de deux signaux, et l'analyse spectrale d'un signal. 12. Utilisation selon la revendication 11, pour les opérations de traitement de signaux dans le domaine des hyperfrequences.