Brevet FR2658316A1 — publié le 19910816

Dispositif pour produire des signaux optiques amplifiés modulés à large bande La présente invention concerne un dispositif pour produire des signaux optiques modulés amplifiés. Ce dispositif peut notamment s'appliquer à la distribution optique des signaux hyperfréquences de référence vers les différents modules d'une antenne à balayage électronique. Cette application, qui est à l'origine de l'invention, n'est cependant en aucune façon limitative et le dispositif de l'invention peut s'appliquer également à une très grande variété d'autres situations dans lesquelles on a besoin d'émettre un ou plusieurs signaux optiques de forte puissance (typiquement, de l'ordre de plusieurs centaines de milliwatts) modulés à partir de composants n'acceptant que des puissances à moduler beaucoup plus faibles (typiquement, de l'ordre de quelques milliwatts). A cet égard, une application particulièrement avantageuse du dispositif de l'invention est la production de signaux optiques modulés à large bande pour les réseaux de télédistribution à fibres optiques. En effet, du fait que l'on doit distribuer des signaux vers un très grand nombre d'usagers, il est nécessaire de produire au niveau de la tête de réseau un signal optique de forte puissance, qui doit en outre être modulé sur une très large bande en raison de la multiplicité des programmes véhiculés par ce signal optique unique. On sait réaliser, dans les deux applications précitées ainsi que d'autres, une distribution optique de signaux au moyen de fibres optiques, notamment de fibres monomodes qui procurent une largeur de bande considérable (plusieurs gigahertz) par rapport aux limites des circuits électriques associés. Ces fibres optiques monomodes, que l'on sait réaliser industriellement ainsi que les câbles et connecteurs associés, présentent un encombrement et un poids réduit, une immunité totale aux parasites électromagnétiques et une absence totale de diaphonie, ce qui les rend très attrayantes pour la transmission et la distribution de signaux vers une multipli cité de points éloignés les uns des autres et éloignés de la source. Cependant, au fur et à mesure que le nombre de ces points augmente, on se heurte très rapidement à des limitations de puissance. En effet, si l'on prend l'exemple de la distribution par fibres optiques des signaux de référence d'une antenne à balayage électronique, le bilan énergétique aboutit à des résultats incompatibles avec les moyens correspondant à l'état de l'art actuel. Ainsi, si l'on prend l'hypothèse d'une antenne fonctionnant en bande X et comportant 100 sous-réseaux de 40 modules chacun, on doit transmettre par voie optique à chacun de ces sousréseaux au moins les trois signaux principaux suivants: - un signal hyperfréquence d'émission (Fe), avec une puissance électrique minimale de 30 dBm, - un signal hyperfréquence d'oscillateur local (Fol) avec une puissance électrique minimale de - 20 dBm, signal à fréquence intermédiaire (Fi), avec une puis sance électrique minimale de - 30 dBm. il y a également lieu de transmettre aux modules un signal d'horloge commun et les signaux de commande propres à chaque sous-réseau. il faut par ailleurs tenir compte du rendement de la conversion du signal optique en un signal électrique au niveau de chaque sous-réseau : à cet égard, si l'on suppose une photodiode hyperfréquence de rendement ii = 0,7 A/W, chargée sur une résistance R =50 fl et recevant une puissance optique Popt, la puissance hyperfréquence produite à partir de cette puissance optique est donnée par: PH = R (rl POPt)2 Si l'on suppose par ailleurs des pertes de transmission dans les liaisons (coupleurs et connecteurs) de l'ordre de 3 dB, les puissances optiques moyennes minimales que l'on devra produire seront donc, respectivement:: pour F e: 40 mW optiques, modulés et couplés, - pour Fol: 126 mW optiques, modulés et couplés, pour Fi: : 40 mW optiques, modulés et couplés. En résumé, il faudra donc émettre 0,2 mW optiques moyens pour produire - 30 dBm (1,ut) hyperfréquences, et 0,63 mW optiques moyens pour produire - 20 dBm (10RW) hyperfréquences. En ajoutant une marge de sécurité à ces chiffres minimaux, et en considérant que la distribution du signal Fol résoud aisément celles des signaux Fe et Fi, on peut se placer dans une hypothèse, identique pour les trois signaux, d'une puissance de -16dBm en sortie de photodiode, ce qui donne une puissance de l'ordre de 1 mW optique moyen pour chacun des trois signaux Avec les hypothèses indiquées plus haut d'une antenne de 100 sous-réseaux avec des pertes de transmission de 3 dB, on voit ainsi qu'il est nécessaire de disposer en amont du système de distribution de trois sources modulées capables, chacune, de fournir 200 mW optiques moyens si l'on veut pouvoir distribuer la puissance nécessaire sur l'ensemble de l'antenne. Les deux solutions envisageables pour produire un signal optique modulé sont, d'une part, la modulation directe de diodes laser hyperfréquences et, d'autre part, la modulation externe d'une source optique continue au moyen de composants modulateurs optiques intégrés. Or, dans l'état de l'art actuel, on ne sait produire ainsi, directement ou indirectement, que des puissances optiques modulées de l'ordre de quelques milliwatts, et les structures projetées ne devraient, dans l'avenir, fournir que quelques dizaines de milliwatts. En effet, on ne sait réaliser ni de diodes laser hyperfréquences de grande puissance, ni de modulateurs optiques intégrés supportant en entrée des puissances supérieures à quelques milliwatts (la limite actuelle étant de l'ordre de 3 mW). La seule solution actuellement envisageable, compte tenu de cet état de l'art, est donc la modulation simultanée de plusieurs sources ou de plusieurs modulateurs identiques en parallèle afin de générer les 200 mW nécessaires pour chaque signal de référence de l'antenne. On devrait ainsi prévoir, pour chacun des signaux de référence F,1, F e ou Fi de l'exemple mentionné plus haut, 100 diodes laser de 2 mW chacune, soit un total de 300 diodes (ou modulateurs) pour l'ensemble des signaux F,1, Fe et Fi à produire, ce qui aboutirait à des réalisations d'une complexité et d'un coût prohibitifs. La présente invention a pour but de proposer une solution à ce problème, grâce à un dispositif pouvant produire un ou plusieurs signaux optiques de puissance élevée (c'est-à-dire atteignant les niveaux nécessaires indiqués plus haut), à partir d'une unique source laser non modulée - qui pourra donc être une source classique d'une puissance de plusieurs centaines de milliwatts ou de plusieurs watts, et de modulateurs optiques intégrés (un par signal optique à produire) de faible puissance d'entrée (quelques milliwatts), donc avec une très grande économie de moyens. A cet effet, le dispositif selon l'invention comprend: - une source laser, émettant un faisceau continu de lumière cohérente, - un cristal de matériau optiquement non-linéaire, placé dans la direction du faisceau émis par cette source laser, - des moyens séparateurs de faisceau, interposés entre la source laser et le cristal de matériau non-linéaire dans le trajet du faisceau émis par cette source laser, et aptes à extraire du faisceau incident un fraction de celui-ci, la fraction non extraite étant appliquée au cristal de matériau non-linéaire de manière à consti tuer pour celui-ci une onde pompe, et - un modulateur optique, recevant en entrée la fraction extraite du faisceau et délivrant en sortie au moins une onde optique de signal modulée en fonction d'un signal modulant correspondant, cette onde optique étant appliquée sous une incidence propre, différente de celle de l'onde pompe, au cristal de matériau non linéaire, de manière à constituer pour celui-ci une onde signal, de sorte que l'onde pompe interagisse avec l'onde signal dans le cristal de matériau non-linéaire et donne en sortie de celuici, dans la direction de l'onde signal, une onde signal amplifiée qui soit une image du signal électrique modulant correspondant appliqué au modulateur optique. Lorsque l'on ne doit produire qu'un seul signal optique modulé (cas typique du réseau de télédistribution, où tous les abonnés reçoivent le même signal véhiculant les différents programmes), il n'est nécessaire de prévoir qu'un seul modulateur optique intégré. Lorsque, en revanche, on souhaite distribuer plusieurs signaux modulés produits simultanément (cas typique des signaux de référence F,1, F e et Fi d'une antenne à balayage électronique), on prévoit autant de modulateurs optiques intégrés que de signaux différents à produire, soit par exemple trois modulateurs dans l'exemple précité. Cependant, la source laser reste unique, de même que le cristal de matériau non linéaires. Plus précisément, dans ce cas, le dispositif comprend une pluralité de modulateurs optiques, recevant chacun en entrée une fraction extraite du faisceau émis par la même source laser et délivrant en sortie une onde signal modulée en fonction d'un signal modulant correspondant, les différentes ondes signal étant appliquées au même cristal de matériau non-linéaire sous des incidences propres différentes et les ondes signal amplifiées respectives étant obtenues séparément dans les différentes directions respectives correspondantes en sortie de ce cristal de matériau non-linéaire. De préférence, le matériau non-linéaire est un matériau photoréfractif, par exemple un matériau du groupe comprenant l'arséniure de gallium, le titanate de baryum et l'oxyde de bismuthsilicium, et le modulateur optique est un modulateur électro-optique intégré. On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention, en référence aux dessins annexés. La figure 1 illustre, schématiquement, le dispositif de l'invention. La figure 2 explicite l'interaction des ondes dans le cristal photoréfractif. La figure 3 illustre graphiquement l'amplification de l'onde signal entre l'entrée et la sortie du cristal photoréfractif. # La figure 1 montre, de façon schématique, la structure du dispositif de l'invention. Celui-ci comprend tout d'abord un laser de puissance émettant une onde continue en direction d'un cristal 2 de matériau non linéaire. Sur le faisceau, on interpose des moyens de séparation spatiale du faisceau comprenant une lame semi-réfléchissante 3 prélevant une faible fraction du faisceau incident (typiquement, quelques milliwatts pour un faisceau incident de quelques watts) et renvoyant, au moyen d'une succession de lames réfléchissantes ou semiréfléchissantes 4, 4 et 4", cette fraction prélevée vers une pluralité de modulateurs optiques 5, 5', 5" recevant chacun une fraction égale du signal prélevé par les moyens séparateurs.Le faisceau incident 6 est donc séparé d'une part en ondes à faible puissance 7, 7', 7" et d'autre part en une onde à forte puissance appliquée au cristal non linéaire 2, et qui sera désignée par la suite onde pompe en raison de l'effet de pompage optique qu'elle va permettre au sein du cris tal 2. En sortie des composants 5, 5', 5", on obtient une pluralité d'ondes lumineuses modulées 9, 9', 9" qui sont également appliquées au cristal 2, mais sous une incidence propre, différente pour chacune des ondes et différente également de celles de l'onde pompe8. Les ondes 9, 9' et 9" présentent une modulation qui est l'image des signaux électriques modulants appliqués aux compo sants 5, 5' et 5", respectivement, et qui peuvent, par exemple, correspondre aux signaux de référence Fol, Fe et F. mentionnés plus haut destinés à être distribués aux différents sous-réseaux d'une antenne à balayage électronique. Chacune de ces ondes 9, 9' et 9" sera appelée, pour cette raison, onde sonde ou onde signal . On récupère, en sortie du cristal 2 et dans la même direction que la direction d'incidence des ondes signal, une série d'ondes signal transmises 10,10', 10" qui pourront être ensuite acheminées par des réseaux de fibres optiques respectifs aux différents sousréseaux de l'antenne. Bien entendu, si, comme dans le cas d'un réseau de télédistribution, on ne souhaite distribuer qu'un seul signal optique modulé, il suffit de prévoir un seul modulateur 5, produisant une unique onde signal. Le laser 1 peut être par exemple un laser YAG de puisstance, de longueur d'onde 1,32 llm émettant une puissance de 2 W en onde entretenue. Les modulateurs sont avantageusement des modulateurs optiques intégrés large bande, excités respectivement aux fréquences F,1, F e et Fi. Ces modulateurs optiques intégrés sont généralement des dispositifs mettant en jeu l'effet électro-optique dans le niobate de lithium ou dans un matériau ÇP (potassium, titane, phosphore) et opérant à une puissance optique de l'ordre du milliwatt. L'état de l'art des modulateurs optiques intégrés est exposé notamment dans un article de Y. Bourbin, A. Énard, C. Moronvalle, M. Werner et M. Papuchon intitulé Modulation hyperfréquence en optique intégrée, paru dans la Revue Technique Thomson-CSF, Vol. 19, n" 3-4, septembre-décembre 1987, pages 519 à 550, auquel on pourra se référer pour de plus amples détails. Pour le cristal 2, on utilise un matériau dont la nonlinéarité permet de transférer l'onde pompe 8 et d'obtenir l'amplifi- cation voulue, par le phénomène que l'on exposera succintement plus bas. On utilise de préférence pour le matériau non linéaire un cristal photoréfractif, et la suite de la description sera faite en consi dérant cet effet optique particulier. Ce choix n'est cependant pas limitatif, et d'autres phénomènes non linéaires peuvent être utilisés pour assurer le transfert de l'onde pompe et donc l'amplification de l'onde signal, par exemple l'effet thermique (principalement, dans les cristaux liquides), l'effet Kerr optique (dans des liquides tels que le sulfure de carbone) ou l'effet Brillouin (dans des cellules à gaz telles que le méthane). Ces différents effets mettent en jeu chacun des puissances optiques différentes et présentent des temps de réponse différents, dont on devra tenir compte à la conception du dispositif. On va maintenant exposer, en référence aux figures 2 et 3, la manière dont on peut réaliser l'amplification de signaux modulés dans un matériau non-linéaire tel qu'un cristal photoréfractif. Les considérations théoriques sous-jacentes à l'amplifica- tion par interaction de deux ondes dans un cristal photoréfractif pourront être trouvées dans un article de G. Hamel de Montchenault, B. Loiseaux et J.P. Huignard intitulé Amplification of High Bandwidth Signals through Two-Wave Mixing in Photorefractive Bil2SiO20 Crystals, paru dans Applied Physics Letters, Vol. 50, n" 25 du 22 juin 1987, pages 1794 à 1796, auquel on pourra se référer pour de plus amples détails. De façon sommaire, l'onde pompe 8 (figure 2) interfere, indépendamment de toute modulation, avec l'onde signal 9 en créant dans le matériau une figure d'interférence dûe à une variation d'indice (effet photoréfractif) produite par le champ électrique photoinduit qui modifie l'indice par effet Pockels. De la sorte, les mécanismes de couplage d'ondes liées au décalage spatial du réseau d'indice par rapport à l'illumination vont assurer le transfert de l'intensité de l'onde pompe dans la direction de l'onde signal incidente pour donner en sortie du matériau 2 une onde signal amplifiée 10. Ainsi, si l'on désigne par Lr l'amplitude de l'onde signal transmise 10 et par IS l'amplitude de l'onde signal incidente, l'ampli- fication obtenue peut être représentée par la relation: IT = IS e #.l, I étant la longueur d'interaction dans le milieu (généra lement de l'ordre du cm), et r étant un facteur de gain, intrinsèque au matériau, donné par la relation: # = 4# #n/#, An représentant l'amplitude de la modulation spatiale de l'indice, et # étant la longueur d'onde. Avec les matériaux photoréfractifs usuels tels que l'arséniure de gallium, le titanate de baryum et l'oxyde de bismuth-silicium, on obtient des coefficients r élevés, de l'ordre de 5 à 12 cm.-l, pour des coefficients d'absorption modérés, de l'ordre de 0,5 cm1. Si l'on module maintenant temporellement en hyperfréquence l'onde signal incidente Is, cette modulation va se retrouver en sortie du signal, avec une amplification différentielle. Ainsi, si l'on désigne par Lr(t) l'amplitude instantanée de l'onde signal transmise 10 et par IS(t) l'amplitude instantanée de l'onde signal incidente, l'amplification obtenue peut être représentée par la relation: = e #.l, et représentant la valeur moyenne des intensités LT(t) et IS(t). La figure 3 qui montre les intensités respectives des faisceaux incidents et transmis après interaction avec l'onde pompe. Pour la composante modulée, on a la relation: = AI5 er.ll2 AIT et AIS étant les profondeurs de modulation respec tives (illustrées figure 3) des signaux IT(t) et IS(t). Ceci donne un gain différentiel: Ydiff = e r.112 Cette propriété d'amplification différentielle est conservée tant que la période du signal de modulation reste notablement inférieure au temps nécessaire ( temps de réponse ou temps d'inscription ) pour que le réseau de diffraction puisse se former dans le cristal, ce qui est généralement le cas, puisque ce temps d'inscription est de l'ordre de 100 ms avec les matériaux mentionnés plus haut. Dans ce cas, du fait de la propriété d'intégration temporelle de l'effet photoréfractif, le réseau d'indice dans le matériau s'établit par interférence de l'onde pompe avec la valeur moyenne de l'onde signal incidente. On notera par ailleurs que la phase de l'onde signal est conservée, et se superpose à celle de l'onde pompe auto-diffractée. On notera également que le gain est indépendant à la fois de l'intensité de l'onde pompe et de celle de l'onde signal, avec toutefois un phénomène de saturation lorsque l'onde signal devient équivalente à l'onde pompe (ce qui n'est pas le cas en l'espèce, compte tenu des différences considérables de puissance mises en jeu entre les deux ondes). Avec les différentes valeurs numériques mentionnées plus haut, et pour une valeur de r de 10 cmA dans un cristal cubique de 1 cm3 et pour un longueur d'interaction de 1 cm, la relation entre l'onde signal incidente et l'onde signal transmise est: = AI5 x 1,5.102, soit une valeur hIr = 200 mW pour AIS = 1,35 mW. En d'autres termes, pour obtenir en sortie la puissance nécessaire de 200 mW mentionnée plus haut, on pourra se contenter d'une puissance d'onde signal de 1,35 mW, valeur tout à fait compa tible avec les puissances admissibles par les modulateurs optiques intégrés actuels, de l'ordre de 3 mW en entrée. En ce qui concerne les limites de l'angle d'incidence de l'onde sonde par rapport à l'onde pompe, celles-ci dépendent en fait de l'effet physique mis en jeu. Elles sont de l'ordre de +30 dans un cristal photoréfractif du type indiqué plus haut, ce qui ne pose aucune difficulté particulière de réalisation. En conclusion, on soulignera que le dispositif de l'invention présente les avantages caractéristiques suivants: - amplification simultanée de plusieurs voies indépen dantes modulées à des fréquences différentes à partir d'un laser de puissance unique à onde entretenue et avec un composant amplificateur unique (le cristal photoréfractif); - gain différentiel identique sur chacune des voies, ce gain étant indépendant de l'angle d'incidence sur le cristal, - absence de dommage optique aux modulateurs externes, ceux-ci ne recevant qu'une densité de puis sance très faible, - excellent rapport signaUbruit sur la partie modulée du signal amplifié, car l'amplification utilisée est une amplification de type paramétrique; ; bande passante quasi-illimitée, la seule limitation provenant de la bande passante propre du modulateur optique intégré utilisé. REVENDICATIONS 1. Un dispositif pour produire au moins un signal optique amplifié modulé à large bande, caractérisé en ce qu'il comprend: - une source laser (1), émettant un faisceau continu de lumière cohérente (6), - un cristal de matériau optiquement non-linéaire (2), placé dans la direction du faisceau émis par cette source laser, - des moyens séparateurs de faisceau (3, 4), interposés entre la source laser et le cristal de matériau non linéaire dans le trajet du faisceau émis par cette source laser, et aptes à extraire du faisceau incident (6) un fraction (7) de celui-ci, la fraction non extraite étant appliquée au cristal de matériau non-linéaire de manière à constituer pour celui-ci une onde pompe (8), et - un modulateur optique (5), recevant en entrée ladite fraction (7) extraite du faisceau et délivrant en sortie au moins une onde optique de signal modulée en fonc tion d'un signal modulant correspondant, cette onde optique étant appliquée sous une incidence propre, différente de celle de l'onde pompe, au cristal de maté riau non-linéaire, de manière à constituer pour celui ci une onde signal (9), de sorte que tonde pompe interagisse avec l'onde signal dans le cristal de matériau non-linéaire et donne en sortie de celuici, dans la direction de l'onde signal, une onde signal amplifiée (10) qui soit une image du signal modulant correspondant appliqué au modulateur optique. 2. Le dispositif de la revendication 1, pour produire une pluralité de signaux optiques modulés amplifiés, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de modulateurs optiques (5, 5', 5"), recevant chacun en entrée une fraction (7, 7', 7") extraite du faisceau émis par la même source laser (1) et délivrant en sortie une onde signal (9, 9', 9") modulée en fonction d'un signal modulant correspondant, les différentes ondes signal étant appliquées au même cristal de matériau non-linéaire (2) sous des incidences propres différentes et les ondes signal amplifiées respectives (10, 10', 10") étant obtenues séparément dans les différentes directions respectives correspondantes en sortie de ce cristal de matériau non-linéaire. 3. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel ledit matériau non-linéaire est un matériau photoréfractif. 4. Le dispositif de la revendication 3, dans lequel le matériau photoréfractif est un matériau du groupe comprenant l'arséniure de gallium, le titanate de baryum et l'oxyde de bismuth-silicium. 5. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel le modulateur optique est un modulateur électro-optique intégré.