Brevet FR2722007A1 — publié le 19960105

FILTRE TRANSVERSE ET APPLICATION A UN CORRELATEUR OPTIQUE DE SIGNAUX ELECTRIQUES L'invention concerne un filtre transverse permettant de détecter un signal électrique transportant une information déterminée. L'invention concerne aussi une application du filtre transverse à un corrélateur optique de signaux électriques. L'invention est par exemple applicable aux fonctions de filtrage transverse ou de corrélation qui sont à la base des moyens d'identification et de détermination de la date d'arrivée de signaux. L'invention qui s'appuie sur certains concepts mis en oeuvre dans la Demande de Brevet THOMSON-CSF "Dispositif de traitement optique de signaux électriques" n 92 15085 utilise la propagation libre d'une onde au lieu de la propagation guidée. L'invention est compatible avec la réalisation de dispositifs présentant des bandes passantes AF de 15 à 20 GHz et un nombre d'échantillons de l'ordre de N = 103. De telles performances ne sont pas accessibles directement à des processeurs électroniques spécialisés numériques dont la réponse en fréquence est limitée (500 MHz => 1 GHz). Notons que dans de tels dispositifs présentant une bande passante AF, I'incrément de retard T doit être au plus égal à T = 1/2 AF. L'invention concerne donc un filtre transverse comprenant une source optique émettant un faisceau lumineux; un premier modulateur électrooptique recevant le faisceau lumineux et le modulant à l'aide d'un premier signal électrique pour fournir un faisceau lumineux modulé, caractérisé en ce qu'il comporte également: - un dispositif rétroréflecteur présentant une surface de rétroréflexion recevant le faisceau modulé sous un angle d'incidence différent de 90 et rétroréfléchissant le faisceau modulé; - un séparateur de faisceau réfléchissant au moins une partie du faisceau rétroréfléchi; - un modulateur spatial de lumière modulant le faisceau rétroréfléchi transmis par le séparateur de faisceau; - un photodétecteur recevant le faisceau du séparateur de faisceau. L'invention concerne également un corrélateur optique de signaux électriques appliquant le filtre transverse, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un deuxième modulateur électrooptique commandé électriquement par un deuxième signal électrique placé sur le trajet du faisceau rétroréfléchi par le rétroréflecteur. 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 exemple de réalisation d'un filtre transverse selon I'invention; - les figures 2a, 2b, des modes de réalisation du dispositif rétroréflecteur du système de la figure 1; - les figures 3a, 3b, 3c, une variante de réalisation du filtre transverse selon l'invention; - les figures 4a et 4b, un corrélateur optique de signaux électriques; - la figure 5, une variante de réalisation du dispositif rétroréflecteur de la figure 1. En se reportant à la figure 1, on va tout d'abord décrire un exemple de réalisation du dispositif de filtrage transverse de signaux électriques selon l'invention. Ce dispositif comporte: - une source optique L émettant un faisceau monomode tel qu'un laser semiconducteur ou un laser solide pompé diode monomode; - un modulateur électrooptique MOD1 recevant d'une part le faisceau lumineux de la source optique et d'autre part un signal électrique S(t). Ce signal électrique est appliqué à des électrodes du modulateur et permet de moduler le faisceau lumineux à la fréquence du signal électrique S(t); - un dispositif optique tel qu'une lentille L1 reçoit le faisceau modulé et fournit un faisceau collimaté; - un séparateur de faisceau SF est transparent à ce faisceau collimaté; - un dispositif rétroréflecteur RE reçoit le faisceau collimaté et le réfléchi vers le séparateur de faisceau SF qui en réfléchi au moins une partie voire la totalité du faisceau rétroréfléchi; - un modulateur spatial de lumière MSL module spatialement le faisceau rétroréfléchi; - une optique telle qu'une lentille L2 focalise le faisceau modulé sur un photodétecteur PD. Selon l'invention, le dispositif rétroréflecteur présente une surface de rétroréflecteur qui est inclinée par rapport à la direction du faisceau collimaté qu'il reçoit. Sur la figure 1, cette surface de rétroréflexion est plane et reçoit le faisceau collimaté sous un angle d'incidence e élevée. Ainsi si on considère que le faisceau collimaté incident est constitué de faisceaux élémentaires, les différents faisceaux rétroréfléchis sont déphasés les uns par rapport aux autres en raison des différences de longueurs de trajets optiques de ces faisceaux. Par exemple, entre les deux faisceaux se réfléchissant aux points A et B, il existe un retard At. Le dispositif rétroréflecteur peut être réalisé comme cela est représenté en figure 2a. Il comporte alors un prisme dont une face d'entrée PR1 est perpendiculaire au faisceau collimaté. La face PR2 est inclinée par rapport à la direction du faisceau collimaté et comporte un miroir holographique MH enregistré de façon à réaliser la fonction de rétroréflexion. Ce miroir holographique se présente sous forme d'une couche déposée sur la face PR2 et le miroir holographique MH est réalisé dans cette couche. Le dispositif de rétroréflexion peut être réalisé sous forme de strates d'indices RE. La surface de ces strates est perpendiculaire à la direction du faisceau collimaté à rétroréfléchir. Le modulateur spatial de lumière MSL peut être réalisé sous forme d'un écran à cristal liquide à commande matricielle dont on rend passante et/ou bloquée une combinaison appropriée d'éléments images. Le fonctionnement du dispositif de la figure 1 est le suivant. Le faisceau modulé par le modulateur électrooptique MOD1, puis collimaté pour être rétroréfléchi, est porteur optique du signal S(t). Ce signal a pour bande passante AF. Après collimation pear la lentille L1, le faisceau se réfléchit sur le composant rétroréflecteur RE fonctionnant sous incidence 0 élevée. Selon ce mode de fonctionnement du dispositif rétroréflecteur RE il existe entre les extrémités A et B de l'onde rétroréfléchie un retard At = 2nLUC, - L = H.tg e, avec: - H = hauteur du réseau - n indice du milieu de propagation de l'onde à la longueur d'onde x L'onde qui est rétroréfléchie intercepte un séparateur de faisceau SF et un modulateur spatial de lumière MSL comportant N points. Le faisceau est ensuite refocalisé sur un détecteur unique PD. La description précédente montre que le faisceau issu de chaque point "k" du rétroréflecteur subit un incrément de retard t = At/N soit: T =(2/N) x (n UC) Si (k est la prépondération de l'intensité du faisceau transmis par chaque point "k", la photodiode PD délivre après sommation optique une composante utile de photocourant de la forme: N i(t)c= kxS(t-kT) k=0 Ce terme correspond au filtrage adapté du signal S(t). A titre d'exemple, les ordres de grandeur suivants peuvent être considérés: - AF = 20 GHz - N = 103 - T = 1/2AF; T = 25 ps - Retard total requis: At = 25 ns Pour des raisons pratiques d'encombrement et de mise en oeuvre, la longueur L du prisme comportant la fonction miroir holographique est limitée à L t 20 cm ce qui pour un milieu d'indice n = 1,85 correspond à At=2,5 ns. On voit donc que la commande appropriée des éléments images du modulateur spatial de lumière en liaison avec les retards appliqués au faisceau lumineux modulé et traité par le dispositif de rétroréflexion permettent ainsi d'identifier le signal électrique S(t) appliqué au modulateur électrooptique. Le filtre transverse de la figure 1 peut être étendu à une structure traitant un plus grand nombre de points et donc des retards plus importants. Une telle structure est représentée par les figures 3a à 3c. Cette structure comporte: - un laser L suivi d'un modulateur large bande MOD1 et d'un coupleur CO à une entrée et N1 sorties; - un réseau de N1 fibres optiques monomodes (typiquement N1 - 5 à 10). Cette structure est représentée en figure 3a. Sur la figure 3b on voit que chaque extrémité de fibre émet un faisceau vers une lentille cylindrique LC1 de collimation. Chaque faisceau émis par une fibre est transmis sous forme d'un faisceau à rayons parallèles à un dispositif rétroréflecteur REE. Ce dispositif rétroréflecteur REE reçoit les faisceaux collimatés sur une face PRE1 perpendiculaire à la direction de ces faisceaux. Sur cette face PRE1, on a dessiné de façon symbolique les zones d'incidences des différents faisceaux issus des fibres optiques. Une face inclinée par rapport à la direction des faisceaux collimatés comporte le dispositif rétroréflecteur et rétroréfléchit les faisceaux transmis par les fibres. De façon plus pratique, si on considère que les extrémités des fibres sont alignés selon un axe XX' et émettent des faisceaux lumineux contenus dans un plan contenant lui-même l'axe XX', le plan dans lequel est situé le dispositif rétroréflecteur est parallèle à l'axe XX'. Les faisceaux rétroréfléchis par le rétroréflecteur RE sont transmis par un séparateur de faisceau à une optique L2 qui focalise les faisceaux vers un photodétecteur PD comme cela est représenté en figure 3c. La longueur des fibres monomodes est choisie pour que le retard introduit à la propagation soit respectivement 0 (Fibre 0), At (Fibre 1), (N1 - 1)At (fibres N1 -1). Les faisceaux issus des N1 fibres interceptent un modulateur spatial MSL comportant N1 lignes et N2 points par ligne (nombre de points traités N = N1 x N2). L'ensemble des faisceaux est focalisé sur un détecteur unique PD par l'intermédiaire de la lentille L3. Dans ces conditions, le photocourant issu de D contient le terme de filtrage adapté du signal S(t) par la fonction de transmission inscrite sur le modulateur spatial: N i() ZCtkxS(t-kT) k=O aveck = Oàk=N1 xN2 Le dispositif des figures 3a à 3c peut être réalisé avec les caractéristiques suivantes: - N = 103 obtenu par la configuration suivante: N1 = 10; N2= 102 - Bloc retard At = 2,5 ns L=200mm L= 110 mm H=60 mm KH = 60mm (verre) n = 1,85 (GaAs) n = 3,4 - Incrément sur la longueur AL des fibres monomodes: (no = 1,5) AL = 50 cm 1 5 - dimensionnement de chaque canal: I x h = 60 x 5 mnm2 - géométrie d'une ligne de pixels sur le modulateur spatial: 60 pm x 5 mm Les différents moyens utilisés pour mettre en oeuvre ce dispositif peuvent être les suivants: - dispositif rétroréflecteur réalisé sous la forme d'un miroir holographique enregistré sur photopolymère par des moyens classiques d'interférence de faisceaux (efficacités > 90 %); coupleur à 1 entrée et 10 sorties vers 10 fibres monomodes pour adapter le faisceau à la géométrie de chaque pixel; - modulateur spatial MSL constitué de 10 lignes de 100 points (N1 = 10 et N2 = 102) selon une technologie à cristal liquide nématique ou ferroélectrique (pixel 60 pm x 5 mm par exemple N = 103) - modulateur MOD1 large bande type optique intégrée LiNbO3 - avec AF compris entre 0 et 20 GHz; - source L à base de laser semiconducteur ou laser solide pompé par diodes délivrant en continu une puissance Po > 100 mW; - photodiode PD dont la bande passante requise vaut: B = AF/N soit B = 20 MHz Puissance minimale détectable: P1 10-13 J- soit P1 10-9 W Pour une dynamique des signaux de 30 dB, une transmission optique T t 10-1 (pertes de couplage au modulateur, composants optiques, et interfaces,...) et N = 103 canaux en parallèle, la puissance laser nécessaire vaut: Po> N/TxP1 x103 soit PO > 10 mW Le filtre transverse de l'invention est applicable à un corrélateur optique de signaux électriques. La fonction de corrélation entre deux signaux large bande S(t) et R(t) peut être obtenue en s'appuyant sur les principes des signaux retardés et rétroréfléchis par le miroir holographique tels que décrits précédemment. La figure 4 représente un tel corrélateur. L'ensemble des faisceaux modulés par le signal S(t) et rétroréfléchis par le rétroréflecteur RE est focalisé sur un ou plusieurs modulateurs électrooptique MOD2. On considère tout d'abord que la lentille LC5 est sphérique et qu'on a qu'un seul modulateur MOD2. Ce modulateur module le faisceau qu'il reçoit à l'aide d'un signal R(t) à corréler avec le signal S(t). Le faisceau ainsi modulé est collimaté par une lentille LC3 vers un modulateur spatial de lumière convenablement adressé. Un ensemble de capteurs CCD reçoit le faisceau collimaté et réalise le produit de corrélation (S(t).R(t). Selon une variante de réalisation le modulateur électrooptique MOD2 peut être réalisée sous forme d'un réseau linéaire de N1 modulateurs commandé chacun par un signal R(t). La lentille LC5 est alors une lentille cylindrique de façcon à focaliser le faisceau venant du rétroréflecteur RE, sous la forme d'une ligne dans le plan du modulateur MOD2. Le capteur CCD (N1 x N2 pixels) étant placé dans le plan image de la face d'entrée du bloc retards, chaque élément k de la matrice de détection génère après intégration T une composante de photocourant de la forme: i(t) = fT S(t - tk) R(t) dt ce terme rend compte du produit de corrélation entre S(t) et R(t). Le temps d'intégration sur chaque élément CCD vaut T = N/2AF soit par exemple T = 25 ns. Comme dans le cas du filtre transverse le contrôle de la pondération des différentes composantes du faisceau reçu sur le CCD est obtenu par l'intermédiaire d'un modulateur spatial 2D placé à proximité du photodétecteur (figure 4a). Dans cette application la ligne de N1 modulateurs (figure 4b) sera constitué par des composants semiconducteurs du type modulateurs à puits quantiques par exemple fonctionnant par transmission et présentant une bande passante identique à celle du premier modulateur MOD1. Selon une variante de réalisation de l'invention représentée en figure 5, le dispositif de création de retards peut être réalisé à l'aide d'un réseau de diffraction RD incliné par rapport à la direction du faisceau incident et déviant le faisceau vers une surface réfléchissante M. Celleci réfléchit le faisceau vers le réseau RD qui le dévie selon la direction du faisceau incident. Selon le mode de réalisation de la figure 5, le réseau RD est compris entre deux prismes P1, P2. Le prisme P1 comporte une face perpendiculaire à la direction du faisceau incident F. Le réseau de diffraction dévie le faisceau perpendiculairement à la direction du faisceau incident. La face du prisme P2 qui reçoit le faisceau dévié est réfléchissante et est perpendiculaire à la direction de ce faisceau dévié. Le système de l'invention présente les avantages suivantes: - traitement de signaux à large bande par une structure compacte multicanaux. La structure intègre un nombre limité de fibres pour la génération des grands retards (N1 = 10) et traite en parallèle 100 voies par canal; - les pondérations effectuées sur chaque voie sont reconfigurables à chaque instant; - I'ensemble occupe un volume réduit (bloc retard = 20 x 6 x 6 cm3) et intègre des composants développés pour les communications large bande par fibre monomode (modulateurs - coupleurs - détecteurs). Une structure monobloc est réalisable par des moyens de microoptiques. REVENDICATIONS 1. Filtre transverse comprenant une source optique (L) émettant un faisceau lumineux À un premier modulateur électrooptique (MOD11) recevant le faisceau lumineux et le modulant à l'aide d'un premier signal électrique (S(t)) pour fournir un faisceau lumineux modulé, caractérisé en ce qu'il comporte également: - un dispositif rétroréflecteur (RE) présentant une surface (A, B) de rétroréflexion recevant le faisceau modulé sous un angle d'incidence différent de 90 et rétroréfléchissant le faisceau modulé - un séparateur de faisceau (SF) réfléchissant au moins une partie du faisceau rétroréflechi - un modulateur spatial de lumière (MSL) modulant le faisceau rétroréfléchi transmis par le séparateur de faisceau; - un photodétecteur (PD) recevant le faisceau du séparateur de faisceau. 2. Filtre transverse selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de rétroréflexion est plane. 3. Filtre transverse selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de rétroréflexion comporte un prisme transparent au faisceau lumineux, une première face (PR1) du prisme étant perpendiculaire à la direction du faisceau incident vers le dispositif de rétroréflexion; et une deuxième face (PR2) qui fait un angle aigu avec cette première face portant une couche de matériau dans lequel est réalisé la fonction de rétroréflexion. 4. Filtre transverse selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche de matériau est photosensible et permet d'enregistrer un hologramme de rétroréflexion. 5. Filtre transverse selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur spatial (MSL) est un écran à cristal liquide. 6. Filtre transverse selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: - un coupleur à une entrée couplée au premier modulateur (MOD1) et à N1 sorties, une fibre de longueur déterminée étant couplée à chacune de ces sorties, les sorties des fibres étant alignées selon un axe XX'" - une lentille cylindrique (LC1) dont l'axe est parallèle à l'axe XX' de telle façon que la lentille reçoit la lumière des fibres selon son plan de symétrie; et collimate la lumière vers le rétroréflecteur. 7. Filtre transverse selon la revendication 6. caractérisé en ce s qu'il comporte une lentille sphérique (L2) focalisant la lumière sur un photodétecteur (PD). 8. Filtre transverse selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une lentille cylindrique (L2) focalisant la lumière sur une rangée de photodétecteurs (PD). 9. Filtre transverse selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif rétroréflecteur comporte un réseau de diffraction (RD) recevant le faisceau modulé sous un angle d'incidence différent de 900 et déviant le faisceau modulé vers une surface réfléchissante (M). 10. Filtre transverse selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte deux prismes accolés par leurs faces hypoténuses, le réseau de diffraction (RD) étant compris entre ces deux faces hypoténuses. le faisceau modulé étant incident perpendiculairement à une face d'incidence d'un premier prisme et se réfléchissant, après diffraction par le réseau de diffraction, sur une face d'un deuxième prisme qui est perpendiculaire à la face d'incidence. 11. Corrélateur optique de signaux électriques appliquant le filtre transverse selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un deuxième modulateur électrooptique (MOD2) commandé électriquement par un deuxième signal électrique (R(t)) placé sur le trajet du faisceau rétroréfléchi par le rétroréflecteur (RE). 12. Corrélateur optique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte une première lentille cylindrique (LC5) placée sur le trajet du faisceau rétroréfléchi et une rangée de modulateurs électrooptiques (MOD2) placés sur la ligne de focalisation de la lentille cylindrique, ces différents modulateurs étant commandés par un même signal (R(t)): une deuxième lentille cylindrique collimatant le faisceau lumineux modulé par ces modulateurs électrooptiques vers une rangée de photodétecteurs (CCD).