Brevet FR2742239A1 — publié le 19970613

GENERATEUR DE SIGNAUX OPTIQUES HYPERFREQUENCES L'invention conceme un générateur de signaux optiques dans lequel les signaux sont modulés à des fréquences élevées, des hyperfréquences par exemple Dans certaines applications, on a besoin de générer des faisceaux optiques modulés à haute fréquence. L'intérêt d'une telle transmission par voie optique réside dans la possibilité de réaliser des transmissions relativement longues (plusieurs centaines de mètres) avec une atténuation faible tout en conservant la pureté du signal modulé. C'est ainsi que les radars futurs à antennes actives à réseaux phasés auront besoin que les signaux de référence d'un oscillateur pilote soient distribués aux modules actifs constituant l'antenne sur des distances allant de quelques mètres (antennes "dalles") à plusieurs centaines de mètres et au delà (cas des implantations multistatiques). Les signaux de référence doivent avoir une pureté spectrale élevée caractérisée le plus souvent par le rapport en décibels entre la densité spectrale du bruit à une distance donnée de la porteuse et le signal à la fréquence de référence (figure 1). Les oscillateurs pilotes actuels de fréquences de quelques GHz ont ainsi des puretés spectrales de l'ordre -135 dBclHz à 10 kHz de la porteuse. La nécessité de détecter des cibles à furtivité sans cesse améliorée demande de gagner une dizaine de dB d'ici 5 à 10 ans. La forme du spectre généré par un oscillateur ou délivré par une chaîne de transmission résulte en particulier de la transposition du bruit en 11f au pied de la porteuse par les non-linéarités des éléments de la chaîne considérée. Ce mécanisme est expliqué schématiquement sur les figures 2a à 2c. Le bruit en 11f des composants à semiconducteurs a pour origine les fluctuations de densité des porteurs libres dues aux processus de capture et d'émission par des niveaux pièges distribués en énergie dans la bande interdite. La densité spectrale du bruit ainsi généré varie très généralement en 11f, d'où l'appellation utilisée. Le bruit décroît de façon exponentielle avec la température. Les figures 2a à 2c montrent un système non-linéaire quelconque avec une entrée recevant un signal spectralement pur (figure 2a) et une source de bruit en 11f (figure 2b). La non-linéarité mélange le signal et le bruit et ramène ce dernier autour de la porteuse à la sortie du système comme indiqué sur la figure 2c. Les matériaux de formule chimique YBaCuO ou dérivés sont maintenant bien connus pour être supraconducteurs avec une température de transition de l'ordre de 80 kelvins, relativement élevée. Ils sont par suite désignés comme supraconducteurs à haute température critique (HTc). Ils sont élaborés sous forme de couches minces et sont appliqués dans le domaine de l'électronique analogique à la réalisation de circuits, filtres et résonateurs, ayant une surtension élevée due à la résistivité résiduelle très faible. Un oscillateur associant un tel résonateur en supraconducteur à un élément amplificateur permet d'obtenir un oscillateur de bonne pureté spectrale.Le résonateur peut être réalisé de plusieurs façons, cavité ou ligne microruban. II doit de toute façon fonctionner à basse température et il est nécessaire de lui associer de façon hybride l'élément amplificateur fonctionnant par suite à la même température. II est également connu de transmettre des signaux à haute fréquence, jusqu'à plusieurs dizaines de GHz, au moyen de fibres optiques au lieu des lignes de transmission conventionnelles, guides d'ondes et cabales coaxiaux. Une liaison optique point à point comportant une diode laser convertissant les signaux du domaine électrique au domaine optique, une fibre optique et une photodiode effectuant la conversion inverse est représentée sur la figure 3.Un réseau de distribution comportant de plus une amplification de la porteuse optique et un distributeur de 1 vers n est représenté sur la figure 4. Des mesures de pureté spectrale ont été faites sur une liaison semblable à celle de la figure 3, avec des éléments maintenus à température ambiante, et ont démontré la faisabilité d'une pureté de -135 dBc/Hz. Cependant, ce chiffre est difficile à mesurer, compte-tenu de la pureté spectrale des oscillateurs pilotes disponibles dans l'art actuel, et à reproduire compte-tenu des propriétés des diodes laser. En effet, ce composant est le maillon faible de la chaine de transmission pour ce qui conceme la linéarité, les autres éléments, fibre optique et photodiode, étant beaucoup plus linéaires aux puissances utilisées usuellement. L'invention a pour objet de résoudre le problème de la transmission d'un signal haute fréquence émis par un oscillateur à résonateur fonctionnant à basse température (~ 70 K à 80 K). La transmission se faisant par voie optique il s'agit d'effectuer une conversion signal électrique - signal optique à l'aide d'un élément tel qu'une diode laser qui n'introduise pas ou peu de bruit et qui présente une bonne linéarité de puissance optique émise en fonction de l'intensité du courant d'excitation. Pour cela, I'invention prévoit une structure dans laquelle la diode laser qui émet le signal modulé est intégré dans la même enceinte basse température que l'oscillateur. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - les figures 1 à 4, des moyens de l'art connu et décrits précédemment; - les figures 5a et 5b, un exemple de réalisation du générateur de signaux optiques selon l'invention; - la figure 6, une variante de réalisation du générateur selon l'invention; - la figure 7, des courbes de réponse puissance émiselintensité d'excitation d'une diode laser. L'idée de base de l'invention est de tirer parti de la nécessité d'un refroidissement à basse température des oscillateurs pilotes à résonateurs supraconducteurs pour leur associer une diode laser montée sur le même support refroidi. L'ensemble constitue ainsi un module destiné à générer des signaux optiques modulés à haute fréquence. Les figures 5a et 5b représentent un exemple de réalisation d'un tel générateur. Sur un substrat SU de surface approximative 1 0cl2 en matériau propre à l'épitaxie des matériaux de la famille YBaCuO, par exemple LaAlO3 ou MgO, sont réalisés l'oscillateur OSC et un circuit d'adaptation CA actif ou passif représentés sous forme de blocs fonctionnels sur la figure 5b. La diode laser DL est fixée sur le substrat SU et connectée électriquement au circuit d'adaptation CA (figure 5b). L'ensemble est monté dans une enceinte ENC à froid du type cryogénique capable de maintenir sa température endessous de 80 K. Des moyens sont prévus pour apporter les différentes sources électriques nécessaires pour alimenter le circuit et la diode laser ou en sortie des signaux de mesure de température de l'enceinte et de niveau du signal optique destinés à stabiliser le fonctionnement du module. La diode laser peut être de préférence de type DFB (Distributed Feed Back ou à rétroaction répartie) de façon à être monofréquence ce qui minimise le bruit à l'émission ayant pour origine la compétition entre modes des diodes laser de Pérot-Fabry. Il est nécessaire de réaliser des diodes laser spéciales dans ce but suivant des principes bien connus dans l'art actuel. Des moyens sont également prévus pour sortir le signal optique modulé à l'extérieur de l'enceinte cryogénique en évitant les rétroréflexions du système optique de couplage qui sont connues pour générer du bruit à l'émission. L'utilisation à cette fin de dispositifs comme des isolateurs optiques est connu en télécommunications optique. La figure 5a montre une sortie par fibre optique FO couplée à la diode laser à l'intérieur de lienceinte. Dans ce cas, la fibre optique est couplée à la face émissive du laser par un isolateur optique. Selon une technique connue, la diode laser et l'isolateur optique peuvent être intégrés sur un même substrat. La fibre optique est alors couplée à la sortie libre de l'isolateur optique. La figure 6 représente une réalisation d'un générateur dans lequel l'enceinte ENC est munie d'une fenêtre FE. La diode laser DL est placée dans l'enceinte de façon à émettre à travers cette fenêtre vers un dispositif utilisateur non représenté. A la fenêtre FE peut être associée une optique L (lentille) permettant de collimater le faisceau de sortie de la diode laser ou de le focaliser vers le dispositif utilisateur (fibre optique). La figure 7 représente des courbes de fonctionnement puissance émises en fonction du courant électrique injecté et cela à deux températures T1 et T2. On voit que le fonctionnement à température réduite améliore la linéarité, mais diminue également le courant de seuil et augmente le rendement différentiel (pente dP/dl). Le fait de placer la diode laser dans l'enceinte refroidie de l'oscillateur permet ainsi de bénéficier de ces avantages. REVENDICATIONS 1. Générateur de signaux optiques hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte refroidie à une température inférieure à 80 K et contenant un oscillateur hyperfréquence fournissant un signal électrique hyperfréquence, une diode laser émettant un faisceau optique, des moyens permettant de moduler le faisceau optique sous la commande du signal électrique hyperfréquence ; la paroi de l'enceinte comprenant en outre des moyens de couplage pour coupler le faisceau optique vers l'extérieur de l'enceinte. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens permettant de moduler le faisceau optique résident dans le fait que le courant d'excitation de la diode laser est modulé par le signal hyperfréquence. 3. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de couplage comportent une fibre optique traversant la paroi de l'enceinte, ayant une extrémité couplée à la face émissive de la diode laser et dont l'autre extrémité peut être couplée à un dispositif utilisateur. 4. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de couplage comportent une fenetre transparente à la longueur d'onde d'émission du laser et permettant la sortie du faisceau optique, émis par la diode laser, vers l'extérieur de l'enceinte, une optique (L) étant associée à la fenêtre pour adapter la section du faisceau au dispositif utilisateur. 5. Générateur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte un isolateur optique situé entre la diode laser et les moyens de couplage, et interdisant à la lumière de revenir vers la diode laser. 6. Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'isolateur est réalisé de manière intégrée sur le même substrat que la diode laser. 7. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur hyperfréquence et la diode laser sont implantés sur un même substrat refroidi à basse température. 8. Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la diode laser est du type à rétroaction distribuée (DFB). 9. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diode laser est une diode laser émettant à 1,5 pm de façon à pouvoir être couplée à un amplificateur à fibre optique dopée erbium. 10. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit d'adaptation actif eVou passif (CA) entre l'oscillateur et la diode laser.