Brevet FR2688324A1 — publié le 19930910

i Dispositif de détection optronique à amplification optique et son application à la télémétrie et à l'écartométrie. L'invention se rapporte au domaine des disposi- tifs de détection optronique et plus particulièrement aux dispositifs nécessitant une grande sensibilité. L'invention s'intéresse à des domaines variés tels que la télémétrie, l'écartométrie et la veille optique pour lesquels les performances sont d'autant améliorées que le dispositif de détection est sensible. En effet, l'une des caractéristiques principales d'un système optronique réside dans la détermination de la distance maximale jusqu'à laquelle le système peut assurer sa fonction On cherche naturellement à obtenir des portées les plus longues possibles. Pour ce faire, on peut utiliser des détecteurs ayant une grande sensibilité, par exemple fonctionnant selon le principe de l'amplification par avalanche con- trôlée Toutefois, ce principe d'amplification par voie électrique nécessite une polarisation importante: quel- ques centaines de volts Cette caractéristique rend particulièrement difficile la réalisation de mosaïques de détecteurs fonctionnant selon ce procédé et dont le gain serait uniformément réparti. En outre, une des caractéristiques de l'avalan- che électrique est que le gain est peu dépendant du flux optique illuminant le détecteur Cette caractéris- tique supplémentaire rend le dispositif particulière- ment sensible à une agression optique brutale On vise ici les applications militaires et plus particulière- ment ce qui est connu sous le terme "contre-mesure" Il convient, en effet pour ces applications, de "durcir" le dispositif de détection pour parer aux contre-mesu- res. Pour les raisons qui viennent d'être rappelées, les systèmes du type veille, télémétrie optique d'écartométrie, etc n'utilisent pas de détection avec amplification électrique. Dans l'art connu, l'augmentation de la sensibili- té peut être obtenue selon deux voies principales. La première est la voie électrique qui vient d'être rappelée Elle consiste à appliquer une forte tension inverse aux bornes d'une photodiode: quelques centaines de volts Celle-ci procure aux électrons photocréés par illumination une accélération telle qu'ils se multiplient par collisions Le gain peut at- teindre une valeur de l'ordre de cent Les détecteurs fonctionnant ainsi sont dits à avalanche. La seconde voie est la voie optique: il s'agit de l'amplification du flux optique Divers procédés peuvent être mis en oeuvre On peut exploiter les non- linéarités optiques telles que l'effet Raman stimulé. Une autre alternative repose sur l'utilisation des tran- sitions radiatives des terres rares Ces ions peuvent être insérés dans des matrices variées semiconduc- teurs, cristaux, matériaux amorphes, liquides etc Tout particulièrement, on peut utiliser des fibres opti- ques faiblement dopées avec des ions de terre rare, par exemple de l'Erbium. Selon ce procédé, on pompe optiquement un ion de terre rare dopant le matériau de la fibre optique Lors- que la fibre optique est illuminée, les ions dus à cette illumination, dont la longueur d'onde se trouve sur la courbe de gain, se multiplient par émission sti- mulée Un gain de l'ordre de 1000 peut être atteint. Pour tous ces procédés d'amplification par voie optique, le gain est sélectif en longueur d'onde Il dépend par exemple de la nature de l'ion et de la lar- geur de la courbe de gain d'amplification. L'invention vise à pallier les inconvénients de l'art connu qui viennent d'être rappelés. L'invention permet tout à la fois une bonne réso- lution, une haute sensibilité et une protection effi- cace aux agressions optiques. L'invention a donc pour objet un dispositif de détection optronique d'une onde optique d'une première longueur d'onde déterminée comprenant des moyens desti- nés à capter cette onde et des moyens de conversion opto-électronique de l'onde captée; caractérisé en ce qu'il comprend un guide d'onde comprenant au moins une fibre optique disposé entre les moyens destinés à cap- ter l'onde et les moyens de conversion opto- électroniques; et en ce que chaque fibre optique est soumise à un effet optique non-linéaire. L'invention a encore pour objet un système de télémétrie et un système d'écartométrie mettant en oeu- vre un tel dispositif. L'invention sera mieux comprise et d'autres ca- ractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit au regard des figures an- nexées et parmi lesquelles: la figure 1 illustre un dispositif selon l'in- vention, la figure 2 est un diagramme représentant les niveaux d'énergie de l'ion Er 3 et la position des bandes d'absorption et d'émission, la figure 3 illustre un système de télémétrie incorporant les dispositions prévues par l'inven- tion, la figure 4 illustre un système d'écartométrie incorporant les dispositions prévues par l'inven- tion. Un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention va maintenant être décrit par référence à la figure 1. Le dispositif illustré par cette figure comprend un objectif de visée A, suivant un axe de visée A un guide d'onde optique B constitué par un assemblage de n fibres optiques fo a une de ses faces terminales ft, ou face d'entrée, placée au foyer de l'objectif A. Cette face terminale ft de l'assemblage est polie Les fibres fo i sont de préférence collées pour former un toron. Selon une caractéristique importante de l'inven- tion, les fibres optiques fo sont dopées par un ion de terre rare, par exemple de l'Erbium: Er Le taux de dopage est de l'ordre de quelques pour cent Chaque fibre va donc agir en tant qu'amplificateur Pour ce faire, une onde de pompage produite par un laser D va être utilisée La puissance de pompage nécessaire est de l'ordre de la centaine de m W L'objectif A est desti- né à recevoir une onde lumineuse à détecter, par exem- ple de longueur d'onde X = 1,54 Mm Il est donc néces- saire de multiplexer cette onde et l'onde de pompage dans le toron B de fibres optiques fo Un élément de multiplexage C est utilisé à cet effet Ce peut être un filtre interférentiel, un cube séparateur de polarisa- tion, un miroir dichroïque ou tout élément optique pou- vant réaliser cette fonction. L'élément de multiplexage C est donc inséré en- tre, d'une part, l'ensemble constitué par l'objectif A et le laser de pompe D et, d'autre part, la face termi- nale ft du toron B De façon plus précise dans une va- riante de construction, illustrée par la figure 1, l'axe de symétrie de l'objectif A étant l'axe A, le laser de pompe D émettra suivant une direction moyenne parallèle à un axe A' perpendiculaire à l'axe à et à la face terminale ft du toron B Il ne s'agit là naturelle- ment que d'une variante constructionnelle parmi d'au- tres possibles L'agencement des différents éléments dépend en outre des choix technologiques effectués Il convient notamment si l'élément de multiplexage C est un cube séparateur de polarisation. Avant de décrire plus avant le dispositif de l'invention, les principales caractéristiques de l'am- plification optiques à l'aide d'une fibre optique dopée vont être rappelées brièvement par référence à la fi- gure 2 On prendra l'exemple, non limitatif, de l'ion Erbium: Er Les niveaux d'énergies, l'identification des transitions radiatives et les mécanismes de pompage de l'Erbium sont présentés sur la figure 2. Pour obtenir une émission à 1,54 jim (transition 4113/241 115/2)' on peut utiliser un pompage à 0,808 gm, à 0,98 lim ou encore à 1,48 gm Bien que le pompage à 0,98 pim soit le plus performant, l'existence de sources à 0,8 pm et 1,481 am, développées dans le cadre de filiè- res déjà bien éprouvées industriellement, peut être mise à profit. En fonction du niveau de puissance de l'onde de pompe, on observe une amplification de l'onde signal, c'est-à-dire l'onde reçue par l'objectif A, plus ou moins importante Cette amplification intègre des méca- nismes de saturation du gain et dépend également du niveau du signal injecté. Selon une autre caractéristique importante de l'invention, il est tiré parti de cette dernière carac- téristique de non-linéarité pour durcir le dispositif contre les agressions optiques. En se reportant de nouveau à la figure 1, on constate que l'autre face terminale ft' du toron B ou face de sortie, également polie, est positionnée au regard d'une mosaïque E de N photodétecteurs Di Le nombre N de photodétecteurs est normalement égal au nombre de fibres optiques foij composant le toron B De façon plus précise, la configuration de la mosaïque E de photodiodes est telle qu'il y ait concordance entre la topologie de la face terminale ft' du toron B et celle de la mosaïque Il est à noter qu'il y a indépen- dance entre les topologies respectives des faces termi- nales ft et ft'; étant entendu qu'une répartition régu- lière des fibres optiques tout le long du toron B est plus aisée à obtenir. Pour fixer les idées, sans que cela soit limita- tif, on supposera dans ce qui suit que la mosaïque est une matrice de i lignes et j colonnes, avec N = i x j, nombre total de photodétecteurs. Selon une autre caractéristique de l'invention, on obtient par ce biais une bonne résolution, résolu- tion directement proportionnelle au nombre N de photo- diodes, tout en permettant une intégration aisée En effet, il s'agit de photodiodes ou de façon plus géné- rale, de photodétecteurs ne nécessitant pas de tension d'alimentation élevée comme dans le cas de photodiodes à avalanche En outre, il n'y a pas de dispersion de gain d'un photodétecteur à l'autre, puisque le gain est égal à l'unité; ces détecteurs n'étant utilisés que pour assurer la conversion opto-électronique On consi- dère la longueur d'onde du signal X à l,554 gm, on peut utiliser des détecteurs du type germanium (Ge) ou Gal- lium-Indium-Arsenic (Ga In As) Pour d'autres longueurs d'onde, on choisira le type de détecteur adapté. Les signaux de sortie Vs de ces détecteurs sont transmis à des circuits électroniques F de traitement et d'exploitation de signaux Ce traitement, en soi, ne diffère pas du traitement effectué dans l'Art Connu et il est inutile de le détailler. Dans une autre variante de réalisation, non re- présentée, l'élément de multiplexage est disposé en aval du toron B, c'est-à-dire entre la face ft' et la mosaïque E de détecteurs Di. En outre, comme il a été indiqué, la résolution est liée au nombre N de détecteurs Dij Celui-ci peut donc être plus ou moins important A la limite, pour certaines applications, il peut être réduit à l'unité. Enfin, les circuits électroniques F assurent également la commande automatique du gain de l'amplifi- cation Pour ce faire, un signal de commande VC est généré par les circuits électroniques F pour ajuster l'intensité de pompe Ce signal V est fonction de cer- taines caractéristiques des signaux détectés Vs Pour ce faire, on peut détecter le niveau de bruit dans Vs ou mesurer la fluorescence. Comme il a été précédemment indiqué, le disposi- tif selon l'invention permet donc, à la fois, une très bonne résolution, une haute sensibilité, une protection efficace contre les agressions optiques et une commande automatique du gain d'amplification en ajustant l'inten- sité de pompe. La sensibilité peut atteindre quelques dizaines de nanowatts. Un premier exemple d'application du dispositif de l'invention est représenté sur la figure 3. Cette figure illustre un système de télémétrie. Ce système incorpore les enseignements de l'invention. La différence notable avec le dispositif décrit en regard de la figure 1 est la présence d'un laser supplémentaire G appelé "laser signal". En effet, le système doit générer son propre signal lumineux, signal qui va être émis suivant une direction de propagation parallèle à l'axe A Après réflexion sur une cible T, celui-ci va être détecté de manière analogue à ce qui a été décrit pour le disposi- tif de la figure 1. Le laser G peut être constitué par un laser Erbium émettant sur une longueur d'onde X = 1,54 pm On peut également utiliser un laser YAG qui lui-même vient pomper une cellule dans laquelle se trouve un gaz. Cette cellule présente un décalage en longueur d'onde Raman autorisant le transfert de l'onde de pompe située à 1,064 pm vers 1,54 gm Un tel gaz peut être du méthane (CH 4) sous haute pression Ce gaz présente un décalage spectral Raman de 2 916 cm et un coefficient de gain Raman de l'ordre de 1,4 cm/GW sous une pression de 10 atmosphères A titre d'exemple, on peut trouver la des- cription de telles sources utilisant l'effet Raman dans l'article de J J OTTUSCE et al, publié dans "IEEE Jour- nal of Quantum Electronics", volume 24, N O 10, octobre 1988, intitulé: "Measurement of Raman Gain Coeffi- cients of Hydrogen, Deuterium and Methane" ou dans la demande de brevet français no 89 09303, déposée le Il juillet 1989 au nom de THOMSON-CSF On peut aussi utiliser un laser Nd:YAG associé à un oscillateur para- métrique optique (O P O). Le laser G émet, sur une longueur d'onde 1,54 pm, une lumière polarisée, par exemple vertical comme illus- tré sur la figure 3 Par convention, on suppose que les éléments représentés sur cette figure sont vus de haut. L'onde émise se propage suivant une direction parallèle à un axe A', perpendiculaire à l'axe A dans l'exemple illustré Cette onde est réfléchie par un premier cube séparateur de polarisation C 1 et traverse une lame quart d'onde H Cette dernière transforme la polarisa- tion linéaire en polarisation circulaire, par exemple en polarisation circulaire droit L'onde, notée a+ tra- verse l'objectif Al Après réflexion sur une cible T, le flux retrodiffusé a une polarisation inversée notée a- Ce flux est capté par l'objectif Ail retraverse la lame quart d'onde H et redevient polarisé linéaire; plus précisément polarisé horizontal dans l'exemple illustré Dans le cas général, il est polarisé perpendi- culairement à la polarisation d'émission De ce fait, il traverse le cube séparateur de polarisation C 1 sans être réfléchi et atteint un élément C 2 multiplexeur. Cet élément jour le rôle de l'élément multiplexeur C de la figure 1 Dans l'exemple illustré, il est constitué par un second cube séparateur de polarisation C 2, réflé- chissant l'onde reçue vers la face terminal ft du guide d'onde Bl à fibres optiques, via une lentille de focali- sation J Comme précédemment, les fibres optiques cons- tituant ce guide d'onde Bl sont dopées, par exemple 3 + avec des ions Erbium: Er L'élément de multiplexage C 2 transmet, sans le réfléchir, le faisceau émis par un laser de pompe D permettant l'amplification du flux optique retrodiffusé et capté par le système de la figure 3. La face terminale ft, opposée à la face termi- nale ft, est couplée à des éléments détecteurs référen- cés E 1. L'électronique qui permet l'alimentation et la commande des lasers G et D 1, ainsi que l'exploitation des signaux détectés, n'a pas été représentée Il s'agit de circuits et d'éléments bien connus de l'Homme de Métier qu'il est inutile de détailler plus avant. Un autre exemple d'application d'un dispositif selon l'invention est représenté sur la figure 4. Cette figure illustre un système d'écartométrie incorporant les enseignements de l'invention. Le système comprend un objectif A 2 qui transmet le flux entrant fo e ou flux signal vers un élément opti- que multiplexeur C 3 Il peut s'agir, par exemple, d'un filtre interférentiel, transmettant sans la réfléchir la longueur d'onde de pompe générée par le laser D 2. Cette longueur d'onde, comme on l'a vu au regard du diagramme de la figure 2, est, dans une variante préfé- rée, choisie égale à 0,98 gm Le filtre C 3 est par con- tre réfléchissant pour la longueur d'onde signal à mesu- rer Sans que cela soit limitatif, pour fixer les idées, on supposera dans ce qui suit que la longueur d'onde du signal à mesurer est égale à l,541 im Les deux ondes, onde signal et onde de pompe, sont focalisés à l'aide d'une lentille J 1 sur les faces terminales de quatre guides d'onde B 21 à B 24 à fibres optiques do- pées Les faces terminales, ft 21 à ft 24, polies et pla- nes, sont réparties de façon régulière autour d'un axe A', axe d'émission du laser de pompe Les faces termina- les ft 21 à ft 24, forment donc un capteur de flux lumi- neux à quatre quadrants Le flux de l'onde de pompe forme une tache Ta équi-répartie en énergie sur ces p quatre faces terminales Il n'en est pas de même de la tache signal Tas En effet, selon l'angle d'inclinaison du faisceau entrant par rapport à l'axe de symétrie A de l'objectif A 2, la tache signal Tas va se déplacer sur le plan que forment les quatre faces terminales ft 21 à ft 24 La répartition du flux signal dans les quatre guide d'ondes B 21 à B 24 n'est donc plus homogène. Le poids relatif de couplage fournit une mesure d'écartométrie Pour rendre cette mesure effective, les faces terminales ft'21 à ft'24 ou faces de sortie sont couplées, chacune, à des éléments photodétecteurs, no- tés E 21 à E 24 * Ces éléments photodétecteurs convertis- sent l'énergie optique captée (après amplification dans les fibres dopées) en signaux électriques de sortie V 521 à V 524 Les amplitudes relatives de ces signaux permettent la mesure desdits poids relatifs. Il est en effet aisé de constater que, si d'une part la tache signal Tas est parfaitement centrée par il rapport à l'axe A', axe d'émission de l'onde de pompe, et que, si d'autre part, le flux de pompe est équi-ré- parti entre les quatre guides d'onde, ce qui est le cas par hypothèse, alors les signaux V 521 à V 524 sont tous égaux Ceci se réalise lorsque le flux entrant foe est centré par rapport à l'axe A. Dans tous les autres cas, la tache signal Tas est décentrée par rapport à l'axe A' et donc les flux dans les différents guides d'onde sont déséquilibrés. Il s'ensuit que les amplitudes des signaux Vs 21 à V 524 sont, en tout ou partie, différentes, selon la position de la tache Tas par rapport à l'axe A'. L'écartomètre illustré sur la figure 3 permet d'effectuer des mesures d'écartométrie en deux dimen- sions puisqu'il est muni de quatre quadrants Une réa- lisation simplifiée, non illustrée, ne comportant que deux faisceaux de fibres optiques permettrait des mesu- res uniaxiales: deux quadrants. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 4, sauf à utiliser des moyens de compensation, il est nécessaire que les axes A et A' soient perpendi- culaire entre eux et que l'axe A' soit en outre perpen- diculaire à la surface formée par les quatre faces ter- minales ft 21 à ft 24 Le miroir dichroïque C 3 doit être incliné à 450 par rapport aux axes A et A'. L'invention n'est pas limitée aux seuls disposi- tifs et systèmes précisément décrits. En premier lieu, on peut doper les fibres opti- ques avec plusieurs ions de terre rare différents A titre d'exemple on peut utiliser l'ion Neodyme: Nd 3, en supplément de l'ion Erbium Er+ On réalise ainsi une amplification, toujours sélective, mais, sur plu- sieurs longueurs d'ondes En mettant en oeuvre plu- sieurs lasers de pompe, on sélectionne la longueur d'onde désirée en activant le laser de pompe correspon- * dant à l'ion sélectionné On peut également utiliser un laser accordable Un tel laser est l'objet de la de- mande de brevet français N O 89 09393 précitée A titre d'exemple, si l'on utilise l'ion Neodyme, la longueur d'onde de pompe est X = 0,8 gm, la longueur d'onde si- gnal est X = 1,06 lim et on peut mettre en oeuvre des détecteurs au silicium: Si, ou de nouveau des détec- teurs Gallium-Indium Arsenic Ga In As. En lieu et place de fibres optiques dopées, se- lon la variante préférée de l'invention qui vient d'être décrite, on peut également mettre en oeuvre l'am- plification optique par effet Raman stimulé dans des fibres optiques Il s'agit alors de fibres non dopées soumises à une puissance crête de pompe très forte, typiquement de l'ordre de lkw Dans ces conditions, le, matériau devient non-linéaire. Enfin, dans une variante supplémentaire, pour augmenter considérablement le durcissement, c'est-à- dire la résistance à l'éblouissement, on peut rendre le matériau absorbant Pour ce faire, on règle l'intensité du laser de pompe pour que l'on se situe en dessous de l'inversion de population du milieu amplificateur Phy- siquement, le phénomène consiste en une absorption sui- vie d'une réémission spontanée dans toutes les direc- tion Cela entraîne un gain inférieur à l'unité. REVENDICATIONS 1 Dispositif de détection optronique d'une onde optique d'une première longueur d'onde déterminée com- prenant des moyens (A) destinés à capter cette onde et des moyens de conversion opto-électronique (E) de l'onde captée; caractérisé en ce qu'il comprend un guide d'onde (B) comprenant au moins une fibre optique (fo i) disposé entre les moyens (A) destinés à capter l'onde et les moyens de conversion opto-électroniques (E); et en ce que chaque fibre optique est soumise à un effet optique non-linéaire. 2 Dispositif selon la revendication 1; caracté- risé en ce que chaque fibre (fo i) est dopée avec au moins un ion de terre rare et en ce qu'il comprend en outre une source (D) émettant une onde de pompe d'une seconde longueur d'onde déterminée et des moyens de multiplexage (C) transmettant audit guide d'onde (B) l'onde de pompe et l'onde optique d'une première lon- gueur d'onde déterminée. 3 Dispositif selon la revendication 2; caracté- risé en ce que l'ion de dopage est de l'Erbium: Er 3, la longueur d'onde de pompe X = 0,98 pm, les moyens de conversion opto-électronique choisis parmi les suivants: photodiode Germanium ou photodiode gallium- Indium-Arsenic. 4 Dispositif selon la revendication 2, caracté- 34- risé en ce que l'ion de dopage est du Neodyme: Nd la longueur d'onde de pompe X = 0,8 pm et les moyens de conversion opto-électronique choisis parmi les suivants: photodiode au silicium ou photodiode Gal- lium-Indium-Arsenic. Dispositif selon la revendication 2; caracté- risé en ce que chaque fibre (fo i) est dopée avec plu- sieurs ions différents de terre rare de manière à obte- nir un effet non linéaire sélectif sur une gamme de plusieurs longueurs d'onde distinctes; et en ce que ladite source de pompe (D) est susceptible d'émettre sur ces dites longueurs d'onde. 6 Dispositif selon la revendication 5; caracté- risé en ce que ladite source de pompe (D) comprend plu- sieurs lasers de pompe émettant chacun sur une des lon- gueurs d'onde de ladite gamme. 7 Dispositif selon la revendication 5; caracté- risé en ce que ladite source de pompe (D) comprend un laser accordable sur les longueurs d'onde de ladite gamme. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 2 à 7; caractérisé en ce que la puissance de pompe est suffisante pour obtenir une inversion de la population électronique de chaque fibre optique (fo i) de manière à obtenir une amplification de l'onde de ladite première longueur d'onde prédéterminée. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 2 à 7; caractérisé en ce que la puissance de pompe est inférieure à celle nécessaire pour obtenir une inversion de la population électronique de chaque fibre optique (fo ij) de manière à rendre le milieu ab- sorbant et à obtenir un gain optique inférieur à l'uni- té. 10 Dispositif selon la revendication 1; carac- térisé en ce que l'effet optique non-linéaire dans cha- cune des fibres optiques est un effet Raman stimulé; et en ce qu'il comprend en outre une source (D) émet- tant une onde de pompe d'une seconde longueur d'onde induisant ledit effet Raman et des moyens de multi- plexage (C) transmettant audit guide d'onde (B) l'onde de pompe et l'onde optique d'une première longueur d'onde déterminée. 11 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 10; caractérisé en ce que ledit guide d'onde (B) est constitué par un faisceau de fibres opti- ques (fo ij) et en ce que les moyens de conversion opto- électroniques (E) sont constitués par une mosaïque de photodiodes (D ij), chaque photodiode étant couplée opti- quement à l'une des extrémités (ft') desdites fibres optiques. 12 Système de télémétrie comprenant des moyens (G) pour émettre une onde de ladite première longueur d'onde suivant une direction déterminée (A); caractéri- sé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de détec- tion optronique de ladite onde après retrodiffusion sur une cible (T) selon l'une quelconque des revendications i à 11. 13 Système d'écartométrie; caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de détection optronique d'une onde optique d'une première longueur d'onde déter- minée selon l'une quelconque des revendications 1 à il et des moyens de focalisation de ladite onde optique captée sur une face d'entrée dudit guide d'onde (B); en ce que ce guide d'onde est constitué de plusieurs faisceaux de fibres optiques (B 21 à B 24) de manière à diviser la face d'entrée en secteur (ft 21 à ft 24) rece- vant chacun une portion de l'onde optique focalisée et transmettant ces portions aux faisceaux de fibres optiques; et en ce que les faces de sorties (ft'21 à ft'24) des faisceaux sont couplées chacune à un conver- tisseur opto-électronique (E 21 à E 24), fournissant des signaux (V 521 à Vs 24) représentatifs d'une mesure d'écartométrie. 14 Dispositif selon la revendication 13; carac- térisé en ce que ledit guide d'onde (B) est divisé en quatre faisceaux de fibres optiques (B 21 à B 24).