Brevet FR2681953A1 — publié le 19930402

CORRELATEUR DE FREQUENCES L'invention concerne un corrélateur de fréquences et plus particulièrement un corrélateur de signaux électriques. L'invention est applicable notamment à un dispositif de traitement de l'information assurant la corrélation de signaux à très large bande typiquement 1 à 20 G Hz Ce dispositif qui exploite les propriétés optiques non linéaires des fibres optiques monomodes (effet Kerr) est particulièrement bien adapté au traitement de signaux présentant une grande bande passante instantanée Cette invention est basée sur une intégration spatiale des non linéarités optiques induites dans une fibre monomode Elle peut être étendue à la réalisation de filtres programmables large bande. L'invention concerne donc un corrélateur de fréquences caractérisé en ce qu'il comporte: une fibre optique monomode présentant une non linéarité, possédant une première extrémité et une deuxième extrémité au moins une première source lumineuse émettant une première onde lumineuse; un premier modulateur de lumière recevant la première onde lumineuse, la modulant sous la commande d'un premier signal de commande à corréler et transmettant cette première onde modulée à la première extrémité de la fibre optique; un deuxième modulateur de lumière recevant la première onde lumineuse, la modulant sous la commande d'un deuxième signal de commande à corréler et transmettant cette deuxième onde mo- dulée à la deuxième extrémité de la fibre optique; une deuxième source lumineuse émettant un faisceau lumi- neux de lecture dans la fibre optique par l'une des extrémités, la première extrémité par exemple; un détecteur d'intensité couplé à la même extrémité de la fibre que la deuxième source lumineuse, la première selon l'exemple pris. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suire et dans les figures annexées qui représentent: les figures la et lb, des exemples de réalisation simplifiés du dispositif de l'invention; la figure 2, un schéma explicatif du dispositif de l'invention; la figure 3, un mode de réalisation détaillé du dispositif de l'invention; la figure 4, un exemple de réalisation détaillé du dispositif de l'invention; la figure 5, une variante de réalisation détaillée du dispositif de l'invention. Les figures la et lb représentent des schémas du dispositif de corrélation faisant l'objet de l'invention Ce dispositif utilise une fibre monomode Fl présentant une non linéarité optique du 3 ème ordre C'est-à-dire une fibre dans laquelle une variation d'indice photoinduite est proportionnelle à l'intensité du champ optique dans le coeur de la fibre Comme cela est repré- senté en figure la, la fibre Fl reçoit, par ses deux extrémités Ai, A 2, deux ondes optiques dont les champs optiques incidents sont perpendiculaires à l'axe de la fibre Fl Selon la figure lb, deux signaux à corréler 51 (t) et 52 (t) sont transposés sur un faisceau optique de fréquence wo par l'intermédiaire de modu- lateurs d'intensité lumineuse à large bande M 1 et M 2 Ces modu- lateurs peuvent être réalisés en optique intégrée selon les tech- niques connues. Les faisceaux modulés El et E 2 sont transmis aux extrémités Ai et A 2 respectivement de la fibre. Les champs optiques à chaque extrémité de la fibre s'écrivent: El(t)= E 10 S(t) exp jwot E 2 (t) E 20 exp j 2 t 2 20 2 o En tout point de la fibre de coordonnée z, et à l'instant t, les expressions des champs E 1 et E 2 s'écrivent respectivement: El(z,t) = E O S(t _) exp jo (t) i 10 v o v E (z t) = E /20 L-z exp 'w O t L-z 2 20 51 (t v jo (t L-z) o v = C/n est la vitesse de la lumière dans la fibre L est la longueur de la fibre. La variation d'indice en un point de coordonnée z est donnée à tout instant t par l'effet Kerr optique, soit: An(zt) = N 2 JE 1 (z,t) + E 2 (z,t) 2 =n 2 IE 12 + IE 21 + E E* + E 4 E 2 j Les deux premiers termes de An, JE 1 J 2 et JE 212, conduisent à une modulation de An, proportionnelle à Sl(t-z/v) et 52 (t-( 1- z)/v) dont le pas est celui de l'onde hyperfréquence ( 5 mm pour 20 G Hz) très supérieur à celui produit par les termes croisés E E* et E* E 2 La variation d'indice efficace est donc 1 2 1 2 donnée par: Aneff(z,t) = N 2 (E 1 E 2 1 + E 2 E = 2 n EE /S -(rt i L-z' -z t cos (wo L-2 z 2 10 20 1 t) 2 ( o v An eff(z,t) est donc un réseau d'indice stationnaire de période spatiale A = A/2 N dont l'amplitude est modulée par le terme produit: 1 t 52 t 1-z La fibre est donc le siège de variations d'indices photoinduites par l'interférence des signaux optiques modulés. Ces variations d'indices sont illustrées par la figure 2 o An(t,z) représente l'amplitude du réseau photoinduit et A représente la période spatiale du réseau d'indice photoinduit. Selon un exemple de réalisation les signaux Sl(t) et 52 (t) à corréler sont des signaux électriques et les modulateurs Mi, M 2 sont des modulateurs électrooptiques. La figure 3 représente la fibre optique Fi dans laquelle un réseau d'indices a été inscrit par l'interférence des champs optiques modulés transmis aux entrées Al et A 2 Un faisceau optique de lecture (EL) est transmis à une entrée Al de la fibre M Cette transmission peut se faire à l'aide d'un miroir semi- réfléchissant MS Le faisceau optique est réfléchi en partie par le réseau d'indice photoinduit Le flux réfléchi Ed est renvoyé par le miroir MS vers un photodétecteur P. Le faisceau de lecture EL a même longueur d'onde x que les faisceaux modulés E 1 et E 2 Son intensité I est proportionnelle à E 2 o Chaque portion élémentaire de fibre de longueur dz (pris égal à c/v If RF o f RF est la fréquence max des signaux hyper- fréquence) à l'abcisse z, conduit, à chaque instant t, à un coef- ficient de réflexion R déterminé en amplitude de l'onde de sonde E o La lecture doit être effectuée avec un laser dont la lon- gueur de cohérence est égale à dz, de façon à ce que l'inté- gration sur la longueur totale de la fibre ait lieu en intensité. Cette longueur dz correspond à une longueur d'onde de cohérence égale à l'inverse de la valeur maximale des fréquences à traiter. Dans ce cas, la réflexion du faisceau de sonde, en intensité, est donnée par: L 2 R(t) = I R (z,dz,t)12 z=o S 2 1-z = N l E 2 Nj 2 ESlt v 52 (t v Faire S(t z) 52 (t L-z) L î v 2 v z revient à faire: tz L-z z Lz) dz R(t) = S Sl(tv)52 (t) dz = 51 (t-t') 52 (tv + t') dt' v = 52 (t'+ t L) 51 (t-t') dt'v Ceci est le produit de corrélation à l'instant t des signaux 52 (t') (retardé de L/v) et 51 (-t'). Pour bien réaliser dans la fibre le produit de corrélation désiré il est nécessaire de retourner temporellement l'un des deux signaux (t' devient -t'), de manière analogue à ce qui est fait dans le cas d'un corrélateur acousto-optique à 2 cellules de Bragg. L'intensité de sonde rétrodiffusée, et donc le courant du photodétecteur, est directement proportionnelle au produit de corrélation des deux signaux S et S 2 La figure 4 représente un exemple de réalisation détaillé du dispositif de l'invention. Ce dispositif comporte une source lumineuse Li (laser) émettant un faisceau de lumière cohérente de longueur d'onde X. Ce faisceau est transmis à deux modulateurs électrooptiques Ml, M 2 qui modulent la lumière reçue de la source Li, à l'aide de signaux électriques 51 (t) et 52 (t) à corréler Les faisceaux modulés El et E 2 sont transmis aux extrémités Al et A 2 de la fibre Fl Les deux faisceaux El et E 2 interfèrent dans la fibre Fi et donnent lieu à création d'un ou plusieurs réseaux d'indice dans la fibre Fl. Par ailleurs, une deuxième source lumineuse L 2 émet un fais- ceau lumineux de même longueur d'onde x mais de longueur de cohé- rence faible correspondant à l'inverse de la fréquence maximale à corréler Ce faisceau est transmis par deux miroirs semi- réfléchissants M Si et M 52 à l'entrée Al de la fibre Il est ré- fléchit par les réseaux d'indice photoinduits Le ou les fais- ceaux réfléchis sont retransmis par les miroirs M Si et M 52 vers un détecteur P d'intensité lumineuse qui identifie ainsi les pics de corrélation. Pour localiser dans le temps la position des pics de corrélation, une horloge de temps HT est mise en service à l'instant d'application des signaux Sî(t) et 52 (t) à corréler. Lors de la détection d'un pic de corrélation le détecteur P informe un circuit de traitement qui note la position de l'horloge de temps Le système peut ainsi connaître la position de chaque pic de corrélation détecté par rapport au début des signaux S (t) et 52 (t) c'est-à-dire la position de chaque pic de corrélation à l'intérieur des signaux S (t) et S 2 (t). corre 1 2 A titre d'exemple de réalisation les modulateurs permettent une modulation très large bande (de 1 à 20 G Hz par exemple) et peuvent être réalisés en optique intégrée Un tel système permet une mise en mémoire d'impulsions de durée 5 Ms sur une fibre de 1 km ce qui permet de corréler des signaux de durée 5 Ms Selon un autre exemple, sur 5 mètres de fibre on peut corréler des impul- sions de 25 ns. A titre d'exemple, les composants utilisés peuvent être les suivants: Laser d'inscription L 1: Laser YAG pompé diodes monomode- monofréquence P = 200 m W x = 1,32 Hm (ou x = 1,55 Mm Laser DFB) Laser de lecture L 2: Laser YAG pompé diodes À = 1,32 Mm (ou À = 1,55 Mm Laser DFB) Fibre optique monomode F 1: Coeur de silice coeur = 5 Mm Modulateurs M 1-M 2: Modulateurs intégrés Li Nb O 3 ou KTP (disponibles commercialement) Bande passante O > 20 G Hz Moyens de couplage et de séparation spatiale des faisceaux (M 51, M 52) Coupleurs optique intégrée Coupleurs fibre monomode Effet non linéaire dans la fibre monomode Si O 20-Ge O 2 Densité de puissance dans la fibre c = 5 bim coeur I = l MW cm Variation d'indice induite par effet Kerr n =n + N 2 I N 2 -i 09 cm 2/MW Soit N = N + 10-9 x I (MW/cm 2 Réflectivité maximale R =rn 2 E 10 o E 20 o 12 xL -4 R = nj d = 10 (pour 1 000 voies) dans laquelle L/dz représente le nombre de voies des signaux à corréler. La figure 5 représente un corrélateur large bande avec amplification des signaux optiques transmis à la fibre Fl De plus, le dispositif de la figure 5 comporte des éléments qui complètent l'invention. On retrouve, sur cette figure, le laser Ll qui émet un fais- ceau lumineux vers les modulateurs Ml et M 2 lesquels transmettent des faisceaux modulés à la fibre Fl. Un isolateur Il interdit tout retour de la lumière vers la source Ll. La transmission du faisceau émis par la source Ll aux modu- lateurs Ml et M 2 se fait par un coupleur Cl réalisable en optique intégrée Les faisceaux modulés par les modulateurs Ml et M 2 sont amplifiés par des amplificateurs à fibres A Fi et AF 2 Par exemple ces amplificateurs comprennent chacun une fibre dopée Erbium. Le laser de lecture L 2 est couplé, au trajet optique du faisceau modulé par le modulateur Ml, entre le modulateur Ml et l'amplificateur A Fi de façon à ce que le faisceau de lecture bénéficie de l'amplification par l'amplificateur AF 1 Ce couplage se fait par un isolateur I 2 et un coupleur C 2 (en optique intégrée par exemple). Le détecteur P est couplé à l'accès Al de la fibre Fi par un coupleur C 3 (réalisable en optique intégrée) Bien que cela ne soit pas représenté, un amplificateur peut également être prévu entre le détecteur P et le coupleur C 3. Ce dispositif permet d'effectuer de la modulation à bas niveaux, puis d'ajuster l'intensité optique au niveau nécessaire pour générer une variation d'indice suffisante par effet Kerr. Des gains d'amplifications de 20 à 30 d B pour 30 mètres de fibres sont réalisables dans les amplificateurs à fibre, par exemple dopés Erbium, à 1,55 Mm. Le dispositif de l'invention permet une réalisation très compacte en utilisant les techniques d'optiques intégrées De plus, les amplificateurs peuvent être réalisés en amplificateur à semiconducteurs. Le dispositif de l'invention peut également être appliqué à un filtre programmable. Il est en effet possible de générer optiquement un coef- ficient programmable sur chaque composante du produit IR (z,dz,t)I " S (t 1-Z) x S (t v-) afin de réaliser en i v 2 v sortie la fonction: R' (t) = N 2 2 a (zt) 51 (t 1) 52 (t1-z j Ceci est obtenu en modulant en amplitude le faisceau de lecture I de telle façon que: o a (z,t) E zt Ainsi, un filtre large-bande ( 0-20 G Hz) et programmable est réalisé. Cette réflectivité sur une longueur de fibre de 5 m permet d'utiliser un laser de sonde de longueur de cohérence 5 mm à 1,32 pm de quelques dizaines de m W. Le dispositif selon l'invention permet la corrélation de signaux de très large bande passante, ce qui le rend particulièrement bien adapté aux applications radars Les caractéristiques spécifiques au dispositif sont rappelées ci-dessous: La non-linéarité est induite optiquement par effet Kerr dans une fibre optique monomode (temps de réponse de l'effet inférieur à 1 O 125). La corrélation des deux signaux s'effectue par intégration spatiale le long de la fibre de longueur L. La longueur de fibre est adaptée à la durée des deux signaux à traiter (L 2 c/n T). Les sources lasers utilisées sont du type monomode à faible largeur de raie L > 2 L pour le laser modulé d'inscription coh fibreporllaemouédincptn Lcoh = C/2 nf RF pour le laser de lecture Les signaux sont transférés sur l'onde optique par l'intermédiaire de modulateurs à large bande. Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention Les exemples numériques et les exemples de matériaux ou de composants utilisés n'ont été fournis que pour illustrer la description. il REVENDICATIONS i Corrélateur de fréquences caractérisé en ce qu'il comporte: une fibre optique monomode (Fi) présentant une non linéarité, possédant une première extrémité (Al) et une deuxième extrémité (A 2); au moins une première source lumineuse (Ll) émettant une première onde lumineuse; un premier modulateur de lumière (Ml) recevant la première onde lumineuse, la modulant sous la commande d'un premier signal de commande à corréler (S t) et transmettant cette première onde modulée à la première extrémité de la fibre optique; un deuxième modulateur de lumière (M 2) recevant la pre- mière onde lumineuse, le modulant sous la commande d'un deuxième signal de commande à corréler (S 2 t) et transmettant cette deu- xième onde modulée à la deuxième extrémité de la fibre optique; une deuxième source lumineuse (L 2) émettant un faisceau lumineux de lecture dans la fibre optique par l'une des extrémités, la première extrémité par exemple (Al); un détecteur d'intensité (P) couplé à la même extrémité de la fibre que la deuxième source lumineuse, la première selon l'exemple pris (Al). 2 Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième source lumineuse (L 2) présente une largeur de cohérence sensiblement égale à l'inverse de la valeur maximale des fréquences des signaux à corréler. 3 Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce la première onde lumineuse émise par la première source lumineuse (Ll) a une longueur d'onde sensiblement égale à celle du faisceau de lecture émis par la deuxième source lumineuse (L 2). 4 Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une horloge de temps (ht) détectant les instants de réception des signaux à corréler (S 1 t et S 2 t) par les- modulateurs (Ml, M 2) et donnant les instants de détection par le détecteur (P) de chaque pic de corrélation. 5 Corrélateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de traitement (CT) recevant de l'horloge de temps (HT) le temps de réception des signaux à corréler ( 51 t et 52 t) et le temps de détection par le détecteur (P) de chaque pic de corrélation et calculant ainsi la position de temps de chaque pic de corrélation dans chaque signal à corréler. 6 Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux à corréler (S 1 t, S 2 t) sont des signaux électriques et que les modulateur (Ml, M 2) sont des modulateurs électrooptiques.