Brevet FR2674708A1 — publié le 19921002

FILTRE TRANSVERSE ELECTRIQUE A FONCTIONNENENT OPTIQUE L'invention concerne un filtre transverse électrique à fonctionnement optique et plus particulièrement un filtre transverse programmable utilisant une architecture optique. Ce filtre transverse programmable est plus particulièrement applicable au filtrage adapté de signaux à large bande. Le principe du filtre transversal est la sommation de signaux prélevés avec différents retards et différents poids, le long d'une ligne de transmission excitée par le signal à filtrer. A l'aide d'un tel filtre linéaire, on cherche à déterminer la date d'apparition d'un signal p(t) connu a priori. Ce signal p(t) transitoire de durée finie T, est en réalité mélangé à un bruit b(t) supposé indépendant de p(t). C'est alors le signal x(t) = p(t) + b(t) qu'il est nécessaire de filtrer. Lorsqu'un tel filtre est réalisé et qu'il maximise le rapport signal à bruit à l'instant T, il est dit adapté. Dans le cas d'un bruit blanc idéal, la réponse impulsionnelle h(t) du filtre adapté est h(t) = p(-t). Lorsque le bruit n'est pas blanc, ce filtre n'est plus optimal mais il permet cependant encore de déterminer la date d'arrivée de p(t) dans la majorité des cas. La réalisation de filtres adaptés est obtenue dans la plupart des cas par la méthode de pondération telle que décrite dans le document "J. Max "Méthodes et techniques de traitement du signal et applications aux mesures physiques" Masson Editeurs 1987. On injecte en permanence, le signal xtt) à l'entrée d'une ligne à retard constituée de N éléments donnant chacun un retard T comme cela est représenté en figure 1. On suppose en outre disposer d'un échantillonnage sur N+1 points du signal p(t) : p(o), pal), p(Nr). La sortie de chaque élément constituant la ligne à retard est pondérée par un coefficient tel que i = p [(N-k)l] / IPmaxI où gPmaxl est la valeur maximale du module de p(t).On a ainsi -1 Ceci est bien la sortie du filtre adapté à l'instant t - T. o La technique actuelle permet la réalisation d'un tel dispositif par des moyens numériques mais elle est alors limitée aux basses et moyennes fréquences. D'autres solutions, à base de fibres optiques ont été proposées telle que celle décrite dans le document K.P. Jackson - H.J. Shaw - "Fiber-optic delay-line signal processors" in Optical Signal Processing" edité par J.L. Horner, Academic Press, mais elles se heurtent à la difficulté de réalisation d'un grand nombre de points de couplage. Le dispositif selon l'invention permet de résoudre ces deux problèmes à savoir, il permet un fonctionnement à hautes fréquences avec un grand nombre de points de couplage, il autorise donc un grand nombre d'échantillons sur des signaux à très hautes fréquences, typiquement N = 1024 de O à 20 GHz. L'invention concerne donc un filtre transverse caractérisé en ce qu'il comporte - un modulateur électrooptique recevant une onde optique et un signal électrique à filtrer et retransmettant l'onde optique modulée par le signal électrique, cette onde optique retransmise étant polarisée linéairement - un séparateur de faisceau séparant l'onde optique modulée selon plusieurs canaux élémentaires - au moins un ensemble de création de retards en série selon la direction des canaux élémentaires, un ensemble comportant autant de circuits de création de retard qu'il y a de canaux élémentaires et placés chacun sur un canal élémentaire - un concentrateur de faisceau regroupant les différents canaux et les focalisant sur un détecteur d'intensité lumineuse. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent - la figure 1, un système selon l'art connu déjà décrit - la figure 2, un exemple général de réalisation d'un filtre transverse selon l'invention - la figure 3, un exemple de réalisation détaillé d'un filtre transverse selon l'invention - la figure 4, un exemple de réalisation d'un ensemble de création de retards - la figure 5, une variante de réalisation d'un ensemble de création de retards - la figure 6, une variante de réalisation des moyens de détection de l'intensité lumineuse. En se reportant à la figure 2, on va donc maintenant décrire un exemple général de réalisation d'un filtre transverse selon l'invention. Ce filtre comporte - une source S émettant un faisceau lumineux F1 - un modulateur électrooptique mod recevant le faisceau F1 ainsi qu'un signal électrique de commande x(t) qui permet de moduler le faisceau de façon à fournir un faisceau F2 modulé par le signal électrique x(t) auquel on désire appliquer un filtrage transverse c'est-à-dire détecter une information de fréquences réparties sur un temps T - un séparateur de faisceaux DIV recevant le faisceau F2 et le répartissant sur n canaux élémentaires fl à fn - des circuits de création de retards optiques CR1 à CRn situés chacun en série sur un canal élémentaire fl à fn - des modulateurs d'amplitude mal à man modulant l'intensité de la lumière de chaque canal élémentaire - un dispositif de focalisation L focalisant les différents canaux - un dispositif détecteur d'intensité lumineuse PD (photodétecteur) recevant le faisceau focalisé. Ainsi en affectant des retards adéquats à chaque circuit à retard CR1 à CRn on trouvera une information déterminée contenue dans le signal x(t) par détection d'un pic d'intensité lumineuse. En se reportant à la figure 3, on va maintenant décrire un exemple de réalisation détaillé du dispositif de l'invention. Le faisceau F1 polarisé linéairement issu d'une source laser S est couplé dans un modulateur mod. Celui-ci est par exemple un modulateur intégré sur LiNbO3 et possède une bande passante s'étendant de O à 20 GHz. Il est excité par le signal à filtrer x(t). Le faisceau F2 polarisé linéairement issu de mod est ensuite étendu au moyen d'un système afocal BE de manière à couvrir la surface d'un modulateur spatial de lumière M1. Ce modulateur est par exemple une cellule à cristal liquide comportant nxn éléments images. Sur chaque élément image la polarisation de la lumière incidente peut être tournée de O" à 90" suivant la tension appliquée. On peut noter que seuls deux états (O et 90 ) sont nécessaires et donc, des cellules à cristaux liquides ferroélectriques sont bien adaptées. Le modulateur spatial M1 est disposé de telle sorte qu'il découpe nxn voies parallèles dans le faisceau laser étendu. Un ensemble de cubes séparateurs de polarisation PBS11 et PBS12 et d'un prisme à réflexion totale P1 est placé en série avec le modulateur M1. Comme on le voit sur la figure 4, le choix de l'état de la polarisation sur chaque élément image du modulateur Mi permet de choisir le chemin suivi par chacun des nxn canaux comportant la porteuse optique du signal x(t). L'ensemble modulateur spatial M1 - cubes séparateurs PBS 11/PBS12 - dispositif de réflexion P1 constitue un premier circuit de création de retard. Ce premier circuit de création de retard est suivi par un deuxième circuit de création de retard placé en série (modulateur spatial M - cubes séparateurs PES21 /PBS - dispositif de 22 réflexion P2) et ainsi de suite jusqu'à un p circuit de créa- tion de retard (modulateur spatial Mp - cubes séparateurs PBSpl/PBSp2 dispositif de réflexion Pp). Ces différents circuits sont tels que chaque élément image de chaque modulateur spatial M2 à M est aligné sur un canal élémentaire créé par le modulateur p spatial M1. Lorsque le faisceau étendu a traversé tous les cubes séparateurs (PBSi), il passe dans un modulateur spatial d'amplitude MA.C'est par exemple une cellule à cristal liquide, identique aux modulateurs spatiaux Mi, mais disposée entre polariseurs croisés pour moduler l'intensité du faisceau qui la traverse. Le modulateur MA permet d'affecter sur chaque canal, l'amplitude de la porteuse optique d'un coefficient Ak précédemment défini. On dispose ensuite une lentille L qui assure la sommation de tous ces canaux parallèles sur une photodiode rapide PD. Cette sommation doit être incohérente pour ne pas être perturbée par des termes de déphasages optiques. Il faut donc que la longueur de cohérence du laser soit inférieure à la plus petite différence de marche permise par le système, c'est-à-dire par celle imposée par le plus petit incrément de retard.A l'instant to, la porteuse optique, sur chaque canal, avant traversée de MA est de la forme s. (t ) = S x(t - kT) lexp j X (t0-kT)I2 o où: - w est la pulsation du laser, - T l'incrément de retard du dispositif. En effet les dispositifs de réflexion (prismes Pi) sont disposés de manière à définir des retards en progression géométrique : #, 21, 41, ... Z(P )I avec en outre 2Pz = NT. A la traversée de MA chaque canal est affecté d'un coefficient caractéristique du signal à détecter dans x(t) et devient ainsi La sommation étant incohérente, la photodiode PD délivre un photocourant proportionnel à la somme qui est la sortie du filtre adapté à l'instant t - T. o On peut remarquer que la reconfigurabilité des modulateurs spatiaux Mi n'est pas indispensable ici. En effet, les trajets peuvent être fixés une fois pour toutes et seule la valeur des peut être modifiée. Les modulateurs spatiaux Mi peuvent donc être remplacés par des matrices fixes de lames A/2 (# longueur d'onde du laser). Une certaine reconfigurabilité du système peut cependant être utile lorsque 2 > N. En effet, on peut choisir alors la séquence de retard désirée (n-i) t 21, 41, . 2(n1) = NT ou t' = 2t, 2t', 41', ... 2(n 2) 1' = NT etc ... et ainsi adapter la bande passante du filtre à celle du signal p(t) à détecter. La figure 5 représente une variante de réalisation d'un circuit à retard. Il comporte un dispositif (cube) séparateur de polarisation d'entrée PBSi,i deux dispositifs de réflexion (prisme) P P1 i et P2 i et un dispositif (cube) de séparation ou recombineur de polarisations de sortie PBS2 i. Ces quatre dispositifs déterminent pour les deux polarisations, deux trajets optiques de même longueur géométrique. Cependant l'un des trajets comporte une lame à faces parallèles FPi qui incorpore un retard optique dans le trajet optique. Les deux trajets optiques n'ont donc pas la même longueur optique. Une telle variante permet ainsi de réaliser des retards très faibles. La figure 6 représente une variante de réalisation du dispositif de l'invention. Dans cette variante, la lentille L est remplacée par une matrice de lentilles Li, ... Ln. Au foyer de chacune d'elle est placée une photodiode rapide PDl, PD (l MA est partagé en n domaines de N pixels chacun. A chaque domaine on associe une série de coefficients Ak J permettant la recon- naissance d'un signal pj(t) présent dans x(t). Cela équivaut à disposer de J filtres adaptés en parallèle, le photocourant fournit par chaque photodiode étant le résultat du filtre de x(t) par le filtre correspondant à pj(t). Selon une autre variante de réalisation, le nombre d'échantillons désiré est typiquement N = 1024. Dans cette variante, le nombre d'éléments des modulateurs spatiaux Mi est nxn = Nxn'. A l'intérieur d'un même groupe de n' éléments images, ceux-ci sont dans le même état d'excitation. L'architecture proposée fournit ainsi N faisceaux de n' voies parallèles. Chaque faisceau joue donc le rôle précédemment décrit d'un élément image. De même MA comporte nxn pixels. Les éléments images de ce modulateur spatial MA n'ont plus que deux états de transmission possibles O et l. Ainsi en choisissant le nombre d'éléments images du modulateur MA à l'état passant dans un faisceau de n' voies, on affecte le poids désiré à la valeur de retard fournie par ce faisceau. Le contrôle des poids n'est plus alors analogique mais devient digital. Le nombre n' chiffre alors la dynamique des poids. A titre d'exemple de réalisation, le filtre transverse selon l'invention peut être réalisé de la manière suivante S : Laser solide, pompé diode largement multimode, qqs 100 mW, x 1,3 Cun - 1,5 Mm mod : modulateur optique intégré sur LiNbO3 large bande O -- > 20 GHz profondeur de modulateur 80 à 100 % pertes d'insertion 6 dB Mi : cellules à cristal liquide nématique twisté ou 2 ferroélectrique 40 x 40 mm 32 x 32 pixels commandés individuellement taux d'extinction entre polariseurs croisés : 1:1000 MA : identique aux Mi mais placé entre polariseurs croisés PD : photodiode rapide Valeur des retards pour 20 GHz de bande passante l'incrément T = 25 ps 1024 incréments sont réalisés sur 1024 voies au moyen de 10 modulateurs Mi Le dispositif selon l'invention présente les avantages suivants - Il permet de filtrer des signaux de très haute fréquence et à large bande passante puisque la valeur de l'incrément de retard peut être aussi faible que voulue (voir figure 5 : le retard résulte de l'interposition d'une lame à faces parallèles sur le trajet d'une des polarisations). - Le contrôle des poids i est assuré en parallèle sur un dispositif unique Mi. En outre, ce contrôle indépendant sur chaque voie permet la compensation de la dispersion des niveaux résultant des différents chemins suivis. - L'architecture proposée est entièrement, et à chaque instant reconfigurable. La valeur de l'incrément de retard peut ainsi être en permanence, adaptée à la bande passante du signal à filtrer. - Un nombre de voies supérieur à celui des retards autorise la défaillance de certains éléments images sans affecter les performances du système. 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. Notamment, les dispositifs de création de retard (cellules à cristaux liquides, séparateurs de polarisation, etc.) ainsi que le modulateur d'amplitude peuvent être réalisés différemment que ce qui a été décrit. REVENDICATIONS l. Filtre transverse caractérisé en ce qu'il comporte - un modulateur électrooptique recevant une onde optique et un signal électrique à filtrer et retransmettant l'onde optique modulée par le signal électrique cette onde optique retransmise étant polarisée linéairement - un séparateur de faisceau séparant l'onde optique modulée selon plusieurs canaux élémentaires - au moins un ensemble de création de retards en série selon la direction des canaux élémentaires, chaque ensemble comportant autant de circuits de création de retard qu'il y a de canaux élémentaires et placés chacun sur un canal élémentaire - un concentrateur de faisceau (L) regroupant les différents canaux et les focalisant sur un détecteur d'intensité lumineuse (PD). 2. Filtre selon la revendication l, caractérisé en ce que chaque circuit à retard est commutable. 3. Filtre selon la revendication l, caractérisé en ce qu'il comporte un polariseur disposé en amont du séparateur de faisceau de telle façon que l'onde optique modulée est polarisée linéairement. 4. Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque ensemble de création de retards comporte - une cellule à cristal liquide (Ml) comportant au moins autant d'éléments images qu'il y a de canaux élémentaires à créer chaque élément image comportant des moyens de commande permettant de faire tourner de 90" la direction de polarisation de la lumière - au moins un premier séparateur de polarisation (PBSll) transmettant la lumière d'une première polarisation par un premier circuit selon une direction de sortie déterminée et la lumière d'une deuxième polarisation par un deuxième circuit selon la même direction déterminée. 5. Filtre selon la revendication 4, caractérisé en ce que le séparateur de faisceau (PBSi) transmet la lumière de la première polarisation selon la direction de sortie sensiblement colinéaire avec celle de la lumière incidente vers un ensemble de création de retards suivants ou vers le concentrateur de faisceau (L) et réfléchi la lumière de la deuxième polarisation vers un circuit à retard (Pl, P2 ..., Pp) lequel circuit à retard retransmet la lumière selon une direction colinéaire à la direction de sortie. 6. Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième séparateur de polarisations (PBSi2) placé en série avec le premier séparateur (PBBSll) sur la direction de sortie, transmettant la première polarisation, le circuit à retard étant couplé à ce deuxième séparateur de polarisation de façon que la lumière provenant du circuit à retard soit réfléchie sur la direction de sortie. 7. Filtre selon la revendication l, caractérisé en ce qu'il comprend des modulateurs d'amplitude (MA) situés chacun en série avec chaque canal élémentaire. 8. Filtre selon la revendication 7, caractérisé en ce que les modulateurs d'amplitude comportent une cellule à cristal comportant autant d'éléments image qu'il y a de canaux élémentaires, chaque élément image étant placé sur la direction d'un canal élémentaire. 9. Filtre selon la revendication l, caractérisé en ce que le concentrateur de faisceau (L) comporte une lentille (L). 10. Filtre selon la revendication l, caractérisé en ce que le détecteur d'intensité lumineuse comporte un photodétecteur (PD). il. Filtre selon la revendication l, caractérisé en ce que le concentrateur comporte plusieurs lentilles (Li, Ln) et plusieurs détecteurs d'intensité lumineuses (Pdl, Pdn) chaque lentille focalisant la lumière d'un nombre déterminé de canaux sur un détecteur d'intensité lumineuse déterminé. 12. Filtre selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier circuit et le deuxième circuit ont même longueur géométrique, l'un des deux circuits comportant une lame à faces parallèles (FP). 13. Filtre selon la revendication 12, caractérisé en ce que la lumière de la première polarisation transmise par le premier séparateur de polarisation (PBSli) est réfléchie par un premier dispositif de réflexion (P2i) vers un deuxième séparateur de polarisations (PBS2i) et que la lumière de la deuxième polarisation réfléchie par le premier séparateur de polarisations (PBSIi) est réfléchie par un deuxième dispositif de réflexion (P2i) vers le deuxième séparateur de polarisations (PBS2i) de telle façon que celui-ci rende colinéaires la lumière des deux polarisations. 14. Filtre selon la revendication 13, caractérisé en ce que les différents ensembles de création de retards comportent des lames faces parallèles d'épaisseurs différentes. 15. Filtre transverse selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en série avec chaque canal élémentaire un modulateur spatial (MA) comprenant plusieurs éléments images par canal, chaque élément image ayant deux états optiques possibles (bloquant ou passant), le nombre d'éléments dans l'état passant permettant d'affecter un poids à la valeur du retard du canal. 16. Filtre transverse selon l'une des revendications 4 ou 15, caractérisé en ce que chaque cellule à cristal liquide (Ml) comporte plusieurs groupes d'éléments images, chaque groupe correspondant à un canal de création de retard.