Brevet FR2682494A1 — publié le 19930416

DISPOSITIF DE TRANSPOSITION DE FREQUENCE POUR UNE ONDE OPTIQUE La présente invention se rapporte aux dispositifs qui permettent de transposer la fréquence d'une onde optique d'une manière semblable à celle que l'on utilise pour changer de fréquence en radioélectricité. On utilise de plus en plus souvent les ondes optiques pour transmettre des signaux, par exemple sur des fibres optiques. On est alors amené à traiter ces signaux d'une manière semblable à celle des signaux radio-électriques, pour pouvoir notamment les moduler par les informations à transmettre et les démoduler pour ressortir ces informations. Parmi les différents traitements susceptibles d'être appliqués aux signaux optiques, I'un d'entre eux consiste à transposer la fréquence, comme on le fait par exemple en signaux radio-électriques avec un oscillateur local. Une méthode bien connue pour procéder à cette transposition de fréquence consiste à utiliser une cellule dite de Bragg, formée d'un matériau adéquat que l'on excite avec un transducteur électro-acoustique. Le faisceau lumineux incident à la fréquence Fo qu'il faut transposer arrive sur cette cellule et un signal électrique à la fréquence Fa correspondant à la différence de fréquence à ajouter ou à retrancher de Fo est appliqué sur le transducteur électroacoustique.Les ondes acoustiques injectées dans le matériau constituant la cellule modifient localement l'indice du matériau en créant un réseau de Bragg, lequel provoque simultanément un changement de fréquence et une déflexion du faisceau optique, qui ressort donc de la cellule avec un angle différent de l'angle d'entrée et une fréquence différente égale à Fo + F1. Ainsi donc lorsque la fréquence de transposition varie, soit qu'elle corresponde à un signal de fréquence variable, soit que l'on utilise plusieurs transpositions distinctes correspondant par exemple à un jeu de sous-porteuses, on obtient en sortie de la cellule de Bragg un ensemble de faisceaux optiques de fréquences distinctes répartis en éventail sur un secteur pouvant être relativement important. Comme cette répartition spatiale est souvent gênante, il est connu pour la compenser d'utiliser une deuxième cellule de Bragg montée tête-bêche avec la première. Cette deuxième cellule reçoit des signaux électriques de transposition identiques à ceux appliqués à la première et elle transpose donc les signaux optiques qu'elle reçoit de la première cellule avec des écarts de fréquence et des écarts angulaires identiques aux précédents. Les écarts de fréquence s'ajoutent et les écarts angulaires se compensent. On obtient donc en sortie de cette deuxième cellule de Bragg un ensemble de faisceaux optiques transposés de deux fois la valeur des fréquences des signaux électriques de transposition, mais parallèles entre eux. Bien entendu, les fréquences électriques appliquées aux cellules de Bragg seront prévues pour qu'au total les écarts de fréquence obtenus soient ceux désirés. Cette solution présente toutefois un certain nombre d'inconvénients - Tout d'abord les faisceaux en sortie de la deuxième cellule, s'ils sont parallèles, sont néanmoins séparés et répartis sur une certaine distance. Si cette répartition n'est pas gênante pour certaines applications, telles que des LIDAR par exemple, elle est très gênante pour d'autres. Par exemple, lorsqu'il s'agit de recoupler ces faisceaux dans une fibre optique, la faible ouverture numérique d'une telle fibre limite considérablement l'énergie qui peut être couplée, ainsi que la bande passante susceptible d'être obtenue par le dispositif de transposition. - En outre, même en rapprochant le plus possible les deux cellules de Bragg, la dispersion angulaire des faisceaux sortant de la première conduit à utiliser une zone active répartie sur une longueur importante de cette deuxième cellule. Or aux très hautes fréquences, qui sont les plus intéressantes pour l'utilisation des ondes optiques, I'atténuation des ondes acoustiques à l'intérieur de la cellule de Bragg limite considérablement les dimensions de la zone active et par conséquent l'ouverture du faisceau optique utilisable en sortie de la première cellule, et donc en définitive l'étendue de la transposition utilisable.Même pour des fréquences plus basses, I'atténuation des ondes acoustiques entraîne une variation du rendement de la cellule qui n'est pas la même le long de la zone active et donc le long de la gamme de fréquences utilisées, alors que ce rendement dans la première cellule était constant, puisque le faisceau passait sensiblement au même endroit pour toutes les fréquences. En sortie du dispositif, ceci revient à avoir une bande passante relativement étroite. Pour pallier ces inconvénients, I'invention propose un dispositif de transposition de fréquence pour une onde optique, du type comportant une première cellule de Bragg destinée à recevoir le faisceau optique entrant et à le diffracter sous l'action d'un premier signal électrique, une deuxième cellule de Bragg destinée à recevoir les faisceaux diffractés par la première cellule et à les diffracter sous l'action d'un deuxième signal électrique pour délivrer un ensemble de faisceaux optiques de sortie parallèles mais transposés en fréquence en fonction des signaux électriques appliqués aux cellules de Bragg, principalement caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique convergent destiné à recueillir les faisceaux diffractés par la première cellule de Bragg pour les diriger sur la deuxième cellule de Bragg et les faire converger sur la zone active de cette deuxième cellule de Bragg de manière à ressortir selon un faisceau unique. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue- schématique d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2, une vue schématique d'une variante de la figure 1 utilisant une lentille de grande ouverture; - la figure 3, une variante de la figure 2, utilisant une lentille optique complexe; - la figure 4, une vue schématique d'une variante catadioptique de l'invention ; et - la figure 5, une vue schématique d'une variante de la figure 2 où les faisceaux d'entrée et de sortie sont colinéaires. Dans le dispositif de base selon l'invention représenté sur la figure 1, un faisceau optique incident 101 parallèle et provenant par exemple d'un laser à une fréquence t arrive avec l'incidence non nulle sur une première cellule de Bragg 102. Celle-ci reçoit sur un transducteur électro-acoustique latéral 103 un ensemble de signaux électriques aux fréquences F, F2 .... qui correspondent à la moitié des écarts de fréquence que l'on veut faire subir à Foe Sous l'effet de la cellule de Bragg, le faisceau optique 101 est à la fois transposé en fréquence et défléchit pour donner un ensemble de faisceaux diffractés 104 sortant de la cellule de Bragg avec des incidences non nulles et étagées en éventail dans un secteur angulaire fonction de l'écart des fréquences obtenues Fo + F1, Fo + F2... Ces faisceaux diffractés par la première cellule de Bragg sont recueillis par une lentille convergente 105, qui vient les faire converger sur une deuxième cellule de Bragg 106. L'ensemble est symétrique autour du plan de la lentille et les deux cellules de Bragg sont placées aux points antinodaux de cette lentille. On rappelle que les points antinodaux d'un système optique sont ceux pour lesquels le grandissement angulaire est égal à - 1. Pour une lentille simple comme représenté sur la figure, ces points antinodaux se trouvent à une distance 2F de cette lentille de chaque côté, F étant la distance focale de la lentille. Le point de convergence des faisceaux sortant de la lentille est donc situé juste dans la deuxième cellule de Bragg, de préférence à l'endroit le plus actif de celle-ci, c'est à dire le plus près possible de l'emplacement du transducteur électro-acoustique 107 situé sur une paroi latérale de cette cellule. Cet emplacement est le meme que celui utilisé dans la première cellule. Ce transducteur acoustique reçoit lui aussi les fréquences F1, F2 ... II agit donc sur les faisceaux incidents reçus de la lentille en provoquant à la fois une translation de fréquence égale aux fréquences Fa, F2... et une déviation des faisceaux sortant de la cellule. Les écarts de fréquence s'ajoutent par rapport à ceux provoqués par la première cellule mais, compte tenu de la géométrie et de la symétrie du système, les déviations se compensent et l'on n'a plus alors qu'un unique faisceau de sortie 108. Celui-ci rassemble tous les faisceaux aux fréquences FQ + 2F11 FO + 2F2 ... et ses dimensions peuvent être aussi étroites que celles du faisceau original 101 à la fréquence F,, ce qui permet éventuellement d'exciter directement une fibre optique. En outre, compte tenu des dimensions de la zone active où se produit la diffraction dans la deuxième cellule de Bragg 106, dimensions qui peuvent être inférieures au millimètre, on peut faire fonctionner le dispositif à une très haute fréquence, plusieurs GHz par exemple. Lorsque le rendement des cellules de Bragg n'est pas égal à 100 %, les faisceaux incidents sont partiellement transmis dans la même direction, et si on a besoin de s'en débarrasser, pour éviter par exemple des réflexions parasites, on peut les absorber par un corps absorbant tel que 108. On peut aussi utiliser le faisceau 110 transmis directement par la première cellule de Bragg, en utilisant un miroir 109 convenablement disposé pour réfléchir ce faisceau direct 110 vers la deuxième cellule de Bragg à l'endroit de la zone active utilisée et dans la direction du faisceau de sortie 108. On pourra alors obtenir un hétérodynage entre la fréquence entrante Fo et les fréquences de sortie Fo + 2F1, Fo + 2F2... Un tel hétérodynage peut servir dans des cas semblables à ceux utilisés en radio-électricité, par exemple pour faire une démodulation. Une autre solution pour utiliser le faisceau direct 110 consiste, comme représenté sur la figure 2, à utiliser une lentille 205 de dimensions plus grandes permettant de collecter ce faisceau 110. Compte tenu de la symétrie du système, le faisceau 210 transmis par la lentille à partir du faisceau 110 convergera naturellement vers la zone active de la deuxième cellule de Bragg 106. Ce système ne nécessite donc pas de réglages, toujours plus ou moins délicats, du miroir 109, mais par contre il nécessite une lentille de dimensions plus grandes, plus difficile à réaliser et donc plus onéreuse. Dans les exemples décrits jusqu'à présent, on utilise comme système optique une lentille simple dont les points antinodaux sont, comme on le sait, situés à deux fois la distance focale de la lentille. Or il existe des systèmes optiques convergents complexes formés d'un assemblage de lentilles, dont les points nodaux sont situés nettement plus près du système. Ces systèmes sont très connus en optique, par exemple photographique. En utilisant alors un système optique de cette nature, tel que représenté conventionnellement par le rectangle 305 dans la figure 3, on peut rapprocher les cellules de Bragg de ce système optique de manière à ce que les zones actives de ces cellules soit situées à la distance focale F du système optique 305. Ceci permet d'obtenir un dispositif de transposition de fréquence nettement moins encombrant.En outre en gagnant sur l'ouverture numérique de l'ensemble on augmente le rendement énergétique du dispositif. Une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, représentée schématiquement sur la figure 4, consiste à utiliser une seule cellule de Bragg 402 dont la zone active est située au point de convergence de la lentille 405. Les faisceaux optiques 404 et 410 réfractés par cette lentille 405 sortent donc de celle-ci parallèlement entre eux et à l'axe optique de la lentille. Ils sont alors réfléchis par un miroir 411 perpendiculaire à cet axe optique et repartent en suivant le même chemin qu'à l'aller. Ils convergent donc dans la même zone active de la cellule de Bragg, où ils se recomposent comme dans la deuxième cellule de Bragg des variantes précédentes pour former en sortie de celleci un faisceau unique 401 confondu avec le faisceau d'entrée. Pour pouvoir séparer les faisceaux d'entrée et de sortie, on utilise un séparateur 412.Celui-ci reçoit le faisceau d'entrée 101 pour délivrer le faisceau 401 allant vers la cellule de Bragg 402 et délivre le faisceau de sortie 408 provenant du faisceau 401 venant de la cellule de Bragg, ce faisceau 408 ayant une direction distincte du faisceau 101. Ce séparateur 412 peut être réalisé de différentes manières, par exemple en utilisant un circulateur à effet Faraday semblable à celui utilisé dans les radars, ou plus simplement une lame séparatrice, ce qui présente toutefois l'inconvénient de perdre la moitié de l'énergie à chaque passage du faisceau. Dans toutes les réalisations d'un dispositif selon l'invention, on pourra utiliser sans aucune difficulté une cellule de Bragg du type biréfringente dans laquelle la diffraction acousto-optique fonctionne en faisant tourner la polarisation des ondes optiques de 900. Ces cellules sont très connues et sont particulièrement intéressantes dans les dispositifs selon l'art connu où l'on recherche une grande bande passante. Leur utilisation ne peut donc qu'améliorer le fonctionnement d'un dispositif selon l'invention. Pour pouvoir utiliser une telle cellule, il est simplement nécessaire que le faisceau incident 101 soit polarisé, ce qui peut s'obtenir, soit en rajoutant une lame de polarisation sur un faisceau incident non polarisé, soit en utilisant une source directement polarisée, comme c'est souvent le cas pour les sources laser. Après traversée du dispositif et recomposition dans la cellule de Bragg de sortie, le faisceau 108 de sortie aura la même polarisation que le faisceau initial d'entrée. Les modes de réalisation décrits ci-dessus utilisent des cellules de Bragg parallélepipédiques dont les faces d'entrée et de sortie sont parallèles, ce qui impose d'incliner le faisceau entrant 101 par rapport à la face d'entrée et amène automatiquement à un faisceau sortant 108 incliné par rapport à la face de sortie. Dans certains cas il est intéressant d'avoir des faisceaux d'entrée et de sortie qui sont co-linéaires. Pour cela, on peut avoir recours au mode de réalisation représenté sur la figure 5, où l'on utilise pour les cellules de Bragg d'entrée 502 et de sortie 506 des cellules dont les faces d'entrée et de sortie sont inclinées par rapport à l'axe de la lentille convergente 506 L'inclinaison est choisie pour qu'en entrée le faisceau réfracté dans la cellule arrive dans la zone active de celle-ci, et par conséquent, vu la symétrie du dispositif, que les faisceaux réfractés par la lentille 505 arrivent dans la zone active de la cellule de sortie 506 pour ressortir selon un faisceau optique 508 co-linéaire au faisceau d'entrée 501. Enfin il est bien clair que lorsqu'on insère un tel dispositif entre deux fibres optiques, I'une permettant d'amener le faisceau d'entrée et l'autre permettant de recueillir le faisceau de sortie, on pourra utiliser selon l'art connu des optiques de collimation permettant d'élargir le faisceau à son entrée dans le dispositif et de le rétrécir à sa sortie, de manière à ce que le faisceau qui transite dans le dispositif ait des dimensions suffisantes pour pallier les effets de la diffraction et les irrégularités locales des organes optiques. REVENDICATIONS 1. Dispositif de transposition de fréquence pour une onde optique (101), du type comportant une première cellule de Bragg (102) destinée à recevoir le faisceau optique entrant et à le diffracter sous l'action d'un premier signal électrique, une deuxième cellule de Bragg (106) destinée à recevoir les faisceaux diffractés par la première cellule et à les diffracter sous l'action d'un deuxième signal électrique (107) pour délivrer un ensemble de faisceaux optiques de sortie parallèles mais transposés en fréquence en fonction des signaux électriques appliqués aux cellules de Bragg, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique convergent (105) destiné à recueillir les faisceaux diffractés par la première cellule de Bragg (102) pour les diriger sur la deuxième cellule de Bragg (106) et les faire converger sur la zone active de cette deuxième cellule de Bragg de manière à ressortir selon un faisceau unique (108). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones actives des deux cellules de Bragg (102, 106) sont situées aux points antinodaux du dispositif optique convergent (105). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif optique convergent est une lentille simple (105) dont les points antinodaux sont situés à deux fois la distance focale (2F) de la lentille. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un miroir (109) permettant de recueillir la portion du faisceau incident non diffracté (110) pour la renvoyer sur la deuxième cellule de Bragg (106) au point de convergence des faisceaux transmis par le système optique convergent (105). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système optique convergent (205) est suffisamment grand pour recueillir également la fraction du faisceau direct non réfractée par la première cellule de Bragg (102) et la faire converger sur l'autre cellule de Bragg (106) au point de convergence du faisceau diffracté. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première et la deuxième cellule de Bragg sont confondues en une seule (402), que le système optique convergent (405) est disposé pour diriger les faisceaux optiques provenant de la cellule de Bragg unique vers un miroir (411) qui les renvoit chacun dans la direction d'où ils vient, que les faisceaux optiques retransmis convergent donc vers la cellule de Bragg unique au même point où le faisceau incident se diffracte, que ces faisceaux réfléchis se diffractent une seconde fois pour donner un seul faisceau de sortie confondu avec le faisceau d'entrée de la cellule, et que le dispositif comprend en outre un séparateur optique (412) permettant de séparer le faisceau optique d'entrée (101) du faisceau optique de sortie (408). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les cellules de Bragg (102, 106) sont du type biréfringentes pour recevoir et délivrer des faisceaux d'entrée et de sortie polarisés. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les cellules de Bragg (502, 506) comportent des faces d'entrée inclinées pour que les faisceaux optiques d'entrée (501) et de sortie (508) soit co-linéaires.