Brevet FR2752625A1 — publié le 19980227

CONVERTISSEUR ANALOGIQUE/NUMERIQUE L'invention concerne un convertisseur analogique/numérique de signaux électriques. Les convertisseurs analogiques/numériques de types connus ont un rapport fréquence d'échantillonnage - nombre de bits de numérisation limité. Plus précisément, on est limité par la fréquence d'échantillonnage. Par exemple, avec un échantillonnage 1 GHz on numérisera le signal sur 10 bits. L'invention a pour objet d'augmenter la fréquence d'échantillonnage tout en permettant une numérisation avec un aussi grand nombre de bits (10 bits). L'invention concerne donc un convertisseur analogique/ numérique caractérisé en ce qu'il comprend: - une source optique fournissant au moins une impulsion lumineuse; - un coupleur optique à une entrée et n sorties recevant l'impulsion lumineuse de la source et répartissant son énergie sur les différentes sorties; - n circuits à retards optiques connectés chacun par une entrée à une sortie du coupleur, et fournissant sur une sortie une impulsion lumineuse retardée; - n modulateurs électrooptiques connectés chacun par une entrée à une sortie d'un circuit à retard; - un circuit électrique d'application d'un même signal électrique aux modulateurs électrooptiques permettant à chaque modulateur de fournir sur une sortie une impulsion lumineuse d'amplitude modulée fonction de l'amplitude du signal électrique; - n circuits optiques d'expansion temporelle connectés chacun à une sortie d'un modulateur, recevant chacun une impulsion modulée et fournissant une impulsion lumineuse étendue dans le temps; - n photodétecteurs recevant chacun une impulsion lumineuse étendue et fournissant une impulsion électrique correspondante; - n convertisseurs électriques analogiques/numériques connectés chacun à un photodétecteur et convertissant l'amplitude d'un signal électrique en un signal numérique. 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 du convertisseur analogique/numérique selon l'invention; - la figure 2, un diagramme de fonctionnement du système de la figure 1; - les figures 3a à 3d, un dispositif d'expansion temporelle d'impulsion lumineuse; - la figure 4, un diagramme de fonctionnement du dispositif d'expansion des figures 3a à 3d; Le système de la figure 1 comporte une source optique I telle qu'un laser impulsionnel à mode bloqué fournissant un train d'impulsions ultrafines avec une période déterminée T. L'énergie lumineuse de la source 1 est couplée à l'entrée d'un coupleur optique 2 à une entrée et n sorties. Ce coupleur répartit l'énergie lumineuse sur les n sorties. A chaque sortie est connecté un circuit à retard optique 3.0 à 3.(n-1). Les différents circuits à retards induisent des retards de valeurs différentes. Dans le cas d'un train d'impulsions, la valeur du plus grand retard est strictement inférieure à la période T. Dans un mode de réalisation préféré, les différents retards sont incrémentés d'un circuit à retard au suivant d'une valeur constante et leur somme est également à la période T. Les différents retards ont pour valeurs: 0, T/n, 2T/n,..., (n-l) T/n Selon l'exemple de réalisation les circuits à retards sont réalisés avec des fibres optiques présentant des incréments de longueurs les unes par rapport aux autres de L = (T/n) (C/nf) C: étant la vitesse de la lumière nf: I'indice du coeur de la fibre Les n sorties des n circuits à retard sont connectées à n modulateurs électrooptiques 4.0 à 4.(n-1) commandés simultanément par un signal électrique à numériser reçu sur une commande électrique 5. A la sortie de chaque modulateur, on retrouve un train s d'impulsions lumineuses de période T, l'amplitude de chaque impulsion étant proportionnelle à celle du signal RF à l'instant du passage de l'impulsion dans le modulateur. Les sorties des modulateurs constituent donc n canaux parallèles fournissant l'échantillonnage du signal électrique avec une période d'échantillonnage T/n. Les sorties des modulateurs fournissent donc des trains d'impulsions lumineuses modulées. Chaque sortie de modulateur est couplée à une photodiode 7.0 à 7(n-1) dont les signaux électriques de photodétection sont fournis à un convertisseur analogique numérique électrique 8.0 à 8(n-1). Afin de rendre ces échantillons compatibles avec la bande passante et la fréquence d'échantillonnage de convertisseurs analogiques/ numériques électriques, il est nécessaire de bloquer l'amplitude de chacun des échantillons pendant une période de temps égale à la période d'échantillonnage des convertisseurs analogiques/numériques. Pour ce faire, les échantillons impulsionnels sont dirigés vers un bloqueur optique 6. Les n signaux électriques générés par les n photodiodes sont donc numérisés par n convertisseurs analogiques/numériques. Chaque convertisseur a de préférence une période d'échantillonnage égale à T et une résolution de N bits. A compter d'un temps t0, le convertisseur 8.0 fournit l'amplitude numérisée des échantillons aux temps t0, to + T, to + 2T....,le convertisseur 8.1 fournit une information du même type aux temps to +T/n, tO + T/n + T, to + T/n + 2T... et le convertisseur 8.(n-1), au temps to + (n-1) T/n, to + (n-1) T/n+T, to + (n-1) T/n + 2T, etc. Le signal électrique est donc finalement échantillonné avec une période égale à T/n et une résolution égale à N bits. La figure 3a représente un exemple de réalisation d'un bloqueur 6. Ce bloqueur est constitué d'un prisme rectangle 60 dont la face hypoténuse est munie d'un réseau 61. L'énergie lumineuse issue d'un circuit à retard est collimatée sur une des faces du prisme, propagée à l'intérieur de celui-ci, réfléchie par un réseau 61 et refocalisée sur une photodiode 7.0 à 7(n-1) via une lame semi-réfléchissante 9. Du fait des différences de temps de propagation à l'intérieur du prisme, l'impulsion reçue par chaque photodiode sera "étalée". De préférence, cet étalement est d'une durée T dans le cas o le plus grand chemin optique dans un sens à l'intérieur du prisme correspond à un temps de propagation égal à T/2. La figure 4 montre la forme des signaux à l'entrée et à la sortie d'un bloqueur 6 qui présente par ailleurs la caractéristique remarquable d'être un dispositif passif et qui a une fonction collective pour les n voies (voir l'exemple de la figure 3d). Les figures 3b et 3c représentent une forme de réalisation du réseau 61 sous forme d'un réseau holographique de volume. La figure 3b montre l'enregistrement du réseau à l'aide de deux faisceaux Fel et Fe2 à une longueur d'onde SO. La figure 3c montre son fonctionnement en lecture. Si les deux faisceaux Fel et Fe2 sont contrapropagatifs, le réseau fonctionnera en figure 3c comme un rétroréflecteur. Le bloqueur 6 des figures 3a à 3b fonctionne en réflexion. Dans ces conditions, le retard introduit par les deux extrémités A et B du réseau s'écrit: L 2H no : T=2no soit T= --x-C tge c avec - 0 angle du prisme; - H et L respectivement hauteur et longueur du prisme. En d'autres termes, la réponse impulsionnelle d'un tel prisme est un créneau de largeur T au foyer de la lentille L. Exemple de réalisation: L'impulsion étant courte (- 30 fts) il est préférable d'assurer la réflexion du faisceau incident par un réseau non dispersif (et non pas par une structure classique du type réseau de Littrow). Cette fonction est réalisée par un réseau holographique de volume par réflexion enregistré dans un matériau photopolymère à haute efficacité de diffraction; Dimensionnement géométrique H = 1 cm; no = 2; L = 7,5 cm Le bloqueur 6 peut être commun à plusieurs modulateurs 5.0 à (n-1) et donc à plusieurs photodiodes. La figure 3d représente une structure d'un tel dispositif. La lumière issue des différents modulateurs 5.0 à 5(n- 1) arrive sur le bloqueur par les fibres 63 (par exemple). Les lentilles 64 collimatent les différents faisceaux vers le prisme 60 et le réseau 61. Les différent faisceaux sont rétroréfléchis et sont réfléchis par un séparateur de faisceau 62 (lame semi-transparente) vers les photodiodes 7.à à 7(n-1). En utilisant des convertisseurs analogiques/numériques 8.0 à 8(n- 1) de caractéristiques 10 bits-1 GHz, I'invention permet de réaliser, par exemple un convertisseur 10 bits-10 Ghz. Le rapport signal sur bruit S/B, exprimé en dB, nécessaire à l'entrée des convertisseurs électriques 8.0 à 8(n-1) pour pouvoir assurer une résolution de N bits est donné par: S/B > (6,02 N + 1,76) Pour N = 10, S/B > 62 dB électriques soit 31 dB en rapport de puissances optiques. Les impulsions présentées aux convertisseurs électriques ont une largeur de 1 ns détectables par exemple par des photorécepteurs ayant une bande passante de 2 GHz (temps de montée et de descente de l'ordre de ps) et une puissance optique équivalente au bruit (NEP) de l'ordre de -50 dBm. Dans ces conditions, et afin d'assurer un rapport S/B d'au moins 61 dB électriques, les photodiodes doivent voir un signal optique ayant une puissance de l'ordre de: -50 dBm + 31 dB = -19 dBm, soit - 10 micro Watts Si on suppose une largeur des impulsions émises par le laser de l'ordre de 30 fs (compatible avec une période d'échantillonnage de 100 ps et une résolution de 10 bits, soit 1 024 niveaux), la puissance crête des impulsions fs reçues est de l'ordre de: micro Watts x (1 ns/30 fs) - 0,3 Watt En considérant la distribution sur 10 canaux et en supposant des pertes d'insertion des modulateurs et des couplages de 5 dB, on peut estimer la puissance crête des impulsions émises par le laser MB à 10 Watts (puissance moyenne: 10 W x (30 fs/1 ns) = 30 mW). Pour réaliser le convertisseur tel que décrit précédemment on pourra utiliser une source laser ayant les caractéristiques suivantes: - largeur de l'impulsion: 30 fts - période de répétition: T = 1ns - puissance moyenne: P = 30 mW La durée de l'impulsion implique l'utilisation d'un matériau à très large bande spectrale comme le Saphire-Ti placé à l'intérieur d'une cavité courte dont la longueur Lc est adaptée à la période de répétition T= 2Lc soit Lc - 15 cm. Le blocage des modes est assuré, soit par modulation acoustooptique intracavité - fréquence de modulation I GHz - soit par auto- blocage des modes par un matériau non linéaire dont le temps de réponse est inférieur à 1 ns. Le matériau est pompé par un laser continu YAG doublé en fréquence émettant à X = 530 nm. Une puissance de pompe de l'ordre de 500 mW est requise pour obtenir une puissance moyenne de 30 mW à la longueur d'onde moyenne de 800 nm du laser Saphire-Ti (efficacité optique la cavité. Le dispositif selon l'invention présente l'avantage de permettre le fonctionnement en parallèle de convertisseurs analogiques-numériques électroniques. Typiquement des performances du type 10 GHz de période d'échantillonnage et 10 bits sont réalisables à partir d'une source laser émettant des impulsions ultracourtes. Il permet en outre d'utiliser des convertisseurs analogiques/ numériques électriques standards. REVENDICATIONS 1. Convertisseur analogique/numérique caractérisé en ce qu'il comprend: une source optique (1) fournissant au moins une impulsion lumineuse; - un coupleur optique (2) à une entrée et n sorties recevant l'impulsion lumineuse de la source et répartissant son énergie sur les différentes sorties; - n circuits à retards optiques (3.0 à 3.n-1) connectés chacun par une entrée à une sortie du coupleur, et fournissant sur une sortie une impulsion lumineuse retardée; - n modulateurs électrooptiques (4.0 à 4.n-1) connectés chacun par une entrée à une sortie d'un circuit à retard; - un circuit électrique (5) d'application d'un même signal électrique aux n modulateurs électrooptiques permettant à chaque modulateur de fournir sur une sortie une impulsion lumineuse d'amplitude modulée fonction de l'amplitude du signal électrique; - n circuits optiques d'expansion temporelle (6) connectés chacun à une sortie d'un modulateur, recevant chacun une impulsion modulée et fournissant une impulsion lumineuse étendue dans le temps; - n photodétecteurs (7.0 à 7.n-1) recevant chacun une impulsion lumineuse étendue et fournissant une impulsion électrique correspondante; - n convertisseurs électriques analogiques/numériques (8.0 à 8.n-1) connectés chacun à un photodétecteur et convertissant l'amplitude d'un signal électrique en un signal numérique. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source optique (1) fournit un signal optique d'impulsions lumineuses et en ce que la valeur du plus grand retard optique fournit par l'un des n circuits à retards est inférieure à une période du signal optique. 3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal optique est périodique. 4. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les incréments de retards des circuits à retard consécutifs sont égaux. 5. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque circuit optique d'expansion temporelle comporte un réseau de diffraction incliné par rapport à la direction de propagation de l'impulsion modulée qu'il reçoit. 6. Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réseau de diffraction fonctionne en réflexion. 7. Convertisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le O10 réseau de diffraction fonctionne en rétro-réflexion et qu'il comporte un séparateur de faisceau permettant d'aiguiller l'impulsion lumineuse rétro- réfléchie vers le photodétecteur. 8. Convertisseur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le réseau de diffraction est commun aux n circuits optiques d'expansion temporelle. 9. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les circuits à retards optiques (3.0 à 3.n-1) comportent des fibres optiques de longueurs différentes.