Brevet FR2775790A1 — publié le 19990910

ANALYSEUR DE SPECTRE DE FREQUENCE L'invention concerne un analyseur de spectre de fréquences. Elle est applicable notamment à l'analyse de signaux hyperfréquences à très large bande (quelques 10 GHz). Afin d'augmenter les capacités de discrimination et d'imagerie des futurs systèmes radar, il est nécessaire d'envisager un traitement des signaux sur une très large bande instantanée, typiquement de l'ordre de 20 GHz. Par ailleurs, les performances et la maturité des composants optoélectroniques fonctionnant dans le domaine des micro-ondes permettent d'envisager la transmission et le traitement sur porteuse optique de signaux hyperfréquence. On peut citer à titre d'exemples des applications telles que les lignes à retard à fibre optique, la commande optique d'antennes à balayage électronique (voir référence [1] en fin de description) et l'analyse spectrale acousto-optique. Cette dernière est parvenue à un niveau de performance et de fiabilité compatible avec les applications embarquées sur avion et sur satellite (analyseur de spectre 1 GHz sur satellite Odin). Rappelons que l'analyse spectrale acousto-optique est fondée sur le principe suivant: le signal électrique à analyser est appliqué sur un transducteur piézoélectrique CP (voir figure 1). Ce dernier produit alors une réplique acoustique (amplitude et phase) du signal qui se propage dans le transducteur CP (généralement du LiNbO3) donnant naissance à un réseau d'indice. Le réseau est éclairé par un faisceau laser OP. Les différentes composantes spectrales (fil, fi) du signal micro-onde à analyser (chacune associée à une fréquence spatiale du réseau) diffractent le faisceau lumineux sur une barrette de photodétecteurs CCD. Cette détection en parallèle autorise l'analyse rapide d'une bande spectrale de l'ordre de 1 à 2 GHz avec une résolution et une dynamique de l'ordre typiquement de 1 MHz et 60 dB. La bande spectrale analysée est essentiellement limitée par l'absorption très importante des ondes acoustiques au delà de quelques GHz. Cette absorption diminue très fortement l'efficacité de diffraction à haute fréquence et, en limitant la longueur de la colonne acoustique (c'est-àdire le temps d'analyse) réduit la résolution spectrale. De plus, les temps de remplissage de la colonne acoustique et de lecture des matrices de détecteurs CCD limitent la cadence d'analyse au domaine 100 kHz - 1 MHz. L'invention fournit un système optoélectronique permettant de lever ces limitations et de pouvoir envisager l'analyse spectrale d'une bande de fréquence instantanée de 20 GHz avec une résolution et une cadence d'analyse de l'ordre de 10 MHz. L'invention concerne donc un analyseur de spectre de fréquences comprenant: - une source lumineuse émettant un faisceau monochromatique; - un modulateur optique recevant le faisceau monochromatique capable de moduler ce faisceau sous la commande d'un signal électrique de fréquences et fournissant un faisceau modulé; - un cristal en matériau photo-enregistrable présentant des propriétés d'enregistrement dans une gamme de fréquences étroites appelé matériau Spectral Hole Burning ou Permanent Spectral Hole Burning, ledit cristal recevant le faisceau modulé et transmettant un faisceau spatialement filtré en fréquences; - un ensemble de photodétecteurs comportant un photodétecteur par fréquence à détecter et recevant le faisceau spatialement filtré en fréquences. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple non limitatif et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un système connu dans la technique et décrit précédemment; - la figure 2, un exemple de réalisation d'un analyseur spectral selon l'invention; - la figure 3, une variante de réalisation d'un analyseur spectral selon l'invention; - la figure 4, un système d'enregistrement d'un dispositif photo enregistrable utilisé dans un analyseur selon l'invention; - la figure 5, un système d'enregistrement et d'analyse combinant les systèmes des figures 2 et 4. Le système de la figure 2 comporte: - une source optique 1 émettant un faisceau lumineux monochrome FI - un modulateur électro-optique 2 excité par le signal électrique HF à analyser. Ce modulateur peut être en niobate de lithium. La modulation réalisée est de préférence une modulation d'amplitude; - un système optique 3 qui transforme le faisceau optique modulé en un faisceau collimaté F2 de plus grande section. Ce système optique est par exemple constitué d'une lentille divergente suivie d'une lentille de collimation; - un milieu photo-enregistrable 4 comportant plusieurs réseaux de diffraction enregistrées à plusieurs longueurs d'ondes et d'orientations différentes. Ce milieu photo-enregistrable est un cristal en matériau du type PSHB (Permanent Spectral Hole Burning) qui sera décrit ci-après; - une lentille de focalisation 5; - un ensemble de photodétecteurs 6 (barrette ou matrice) situé dans le plan de la lentille 5. On va donc décrire maintenant le milieu photo-enregistrable en matériau présentant des propriétés d'enregistrement appelées Spectral Hole Burning. Le spectre de chromophores (ions ou molécules) dopant un solide est élargi à cause des défauts et du désordre (élargissement inhomogène). Aux basses températures, le spectre inhomogène reste large cependant que les spectres individuels des chromophores dopants s'affinent considérablement. La largeur d'une raie spectrale d'un spectre individuel est dite largeur homogène rh . A 10 K, cette largeur peut être de 103 à 107 fois plus étroite que la largeur inhomogène Finh. L'irradiation à l'aide d'un laser monochromatique de la classe de chromophores en résonance avec la fréquence du laser peut induire une phototransformation sélective qui conduit au creusement d'un trou spectral de largeur 2xRh dans le profil de la bande d'absorption : c'est le phénomène de "Hole Burning" spectral. Selon le mécanisme de creusement, le trou peut etre permanent (mécanisme photochimique) ou seulement transitoire (par transfert de population). Lors de l'exposition d'un tel matériau à un rayonnement monochromatique, la profondeur du trou creusé est en chaque point fonction de l'énergie reçue. Lorsque la distribution spatiale d'énergie est produite par la figure d'interférence entre deux faisceaux laser, la gravure constitue un réseau de Bragg susceptible de diffracter un faisceau lumineux de même longueur d'onde que les faisceaux de gravure. Dans l'espace des fréquences, chaque réseau n'occupe qu'un canal de largeur 2xFh. Au sein d'un matériau de largeur inhomogène rinh peuvent donc cohabiter rinh/(2rh) réseaux de Bragg indépendants. Les matériaux permettant de réaliser une telle fonction sont appelés matériau à Spectral Hole Burning ou PSHB (Permanent Spectral Hole Burning). Les ions de terres rares dispersés dans des cristaux d'oxyde d'aluminium, de silicium et d'yttrium apparaissent comme les matériaux aujourd'hui les plus proches de ce qui est requis. Un rendement élevé de Hole Burning est observé sur une transition à 580 nm dans l'ion Eu La largeur inhomogène rinh atteint environ 10 GHz dans EU 3+ : Y2SiO5 et plusieurs dizaines de GHz lorsque la matrice cristalline Y2SiO5 est remplacée par un verre de silice ou par un grenat de YAG. La largeur homogène à 10 K est de 30 kHz dans EU Y203. La durée de vie d'un enregistrement atteint plusieurs heures à 10 K. Comme dans un photoréfractif, l'enregistrement est progressivement détruit par la lumière qu'il reçoit. II faut donc prévoir son rafraîchissement à intervalles réguliers. 3+ Dans le cas précis d'un cristal Y2SiO5 dopé EU au taux atomique de 0,1 % environ, l'exposition requise pour creuser jusqu'à saturation un trou monochromatique est de 8mJ/cm2 environ [voir références 2, 3]. II est bien connu que l'efficacité de diffraction d'un hologramme d'absorption ne peut dépasser 6 % environ dans un matériau non sélectif en fréquence. Cependant, il a été démontré que cette efficacité peut être multipliée par 4 dans un matériau sélectif en fréquence lorsqu'on balaye simultanément la fréquence et la phase relative des faisceaux de gravure (voir référence [4]). Par ailleurs, on doit noter que, à la différence des hologrammes enregistrés dans un photoréfractif, les réseaux enregistrés à différentes longueurs d'ondes dans un matériau PSHB ne se partagent pas l'efficacité de diffraction maximum disponible : chacun se construit sur un groupe de centres actifs spécifique, et l'efficacité de diffraction de chacun d'eux est indépendante de leur nombre. Le système de la figure 2 utilise donc pour le milieu photoenregistrable 4 un tel matériau PSHB. Plusieurs réseaux indépendants correspondant chacun à une fréquence à détecter sont enregistrés selon une méthode d'interface qu'on décrira ultérieurement. On peut donc inscrire dans un même cristal, rjnh/(2rh) réseaux de Bragg indépendants. Chaque réseau enregistré à la fréquence .(n) est caractérisé par un vecteur spécifique k(n) - k(1n) défini par 2 I les vecteurs d'onde k(n) et k(n) des deux faisceaux de gravure. Supposons I 2 que tous les vecteurs d'onde k(n)soient orientés dans la direction commune k1. II s'ensuit qu'après enregistrement des réseaux une onde de fréquence (n) incidente sur le cristal suivant k1 est diffractée dans la direction k(n). Pour extraire 1024 composantes spectrales, on peut disposer les 1024 vecteurs d'onde k(n) de telle sorte que, dans le plan focal d'une lentille, les 2 images se répartissent suivant une matrice bidimensionnelle 32x32. Le modulateur électrooptique 2 peut être un dispositif électrooptique qui permet une modulation rapide (jusqu'à 20 GHz et au-delà) du faisceau optique FI par le signal électrique HF. Après la traversée du modulateur électro-optique, le spectre du faisceau lumineux présente deux bandes latérales situées de part et d'autre de la porteuse. Pour un fonctionnement optimal, une seule des bandes latérales doit coïncider avec le profil d'absorption du PSHB. Le matériau est alors transparent à la porteuse. Le cristal se comporte comme un composant passif dans lequel les réseaux de sélection spectrale sont inscrits une fois pour toutes. Cependant, l'enregistrement est effectué à basse température (10 K par exemple). Le système de la figure 2 fonctionne donc de la manière suivante: Un faisceau lumineux monochromatique F1 est modulé par un modulateur électrooptique sous l'action d'un signal électrique contenant une ou plusieurs fréquences (fl et f2 par exemple). Le faisceau modulé est transmis au milieu 4. Il est supposé que celui-ci contient des réseaux de diffraction R1 et R2 enregistrés pour diffracter des ondes optiques aux fréquences respectivement fl et f2. En raison de la sélectivité des réseaux chaque réseau ne diffracte que l'onde optique qui est modulée à la fréquence pour laquelle il a été enregistré et est transparent aux autres ondes optiques. Le milieu 4 diffracte donc selon des angles différents les composantes optiques de fréquences fl et f2. Ces composantes sont focalisées en des points différents de l'ensemble de photodétecteur 6. Celuici peut donc identifier les fréquences fl et f2 contenues dans le signal électrique HF de modulation. Par ailleurs, L'ensemble de photodétecteurs comporte une zone inactive CCDO à l'emplacement de focalisation de l'ordre zéro fournit par le milieu 4. Le système de la figure 2 exploite les propriétés de diffraction des réseaux gravés. Une variante de l'invention (voir figure 3) consiste à tirer directement parti des propriétés de filtrage par absorption du matériau PSHB. Une couche d'un tel matériau est déposée à la surface d'une matrice de photodétecteurs. A l'aplomb de chaque détecteur élémentaire le revêtement PSHB est irradié jusqu'au blanchiment à une longueur d'onde spécifique, différente pour chaque détecteur. Exposé à un rayonnement polychromatique chaque détecteur ne reçoit que la composante spectrale de blanchiment qui lui est associée. On dispose ainsi d'un analyseur spectral multicanal qui conserve toujours la rapidité de la détection en parallèle. En se reportant à la figure 4, on va maintenant décrire un système permettant d'enregistrer des réseaux de diffraction dans un milieu enregistrable 4 tel qu'un matériau présentant des propriétés de Spectral Hole Burning. On retrouve dans le système de la figure 4 la source monochromatique 1, le modulateur électrooptique 2, les systèmes optiques 3 et 5, le milieu enregistrable 4 et les photodétecteurs 6. Le milieu enregistrable 4 est situé dans une enceinte cryostatique. De plus, il est prévu deux voies de transmission du faisceau modulé vers le milieu 4. L'aiguillage vers ces deux voies est réalisé par le séparateur 11. Chaque voie comporte un modulateurldéflecteur acoustooptique 8, 8'. Lors de l'enregistrement du milieu 4 les différents réseaux de diffraction correspondant aux différentes fréquences à détecter doivent être inscrits dans le milieu 4. Pour cela, une première fréquence HF est appliquée au modulateur 2. Le faisceau optique modulé est transmis au milieu 4 d'une part par le séparateur Il, un obturateur 14, le miroir 12, le modulateur 8 et l'optique 9 et d'autre part, par le séparateur Il, le modulateur 8' et le miroir 13. Le modulateur 8 contrôle l'angle d'incidence du faisceau sur le milieu 4. Le modulateur 8 n'a pas pour but de modifier la direction de transmission du faisceau au milieu 4 mais de compenser les déplacements de fréquences produits par le modulateur 8. Le système optique 9 placé entre le modulateur acousto-optique 8 et le milieu 4 a pour fonction, d'une part, d'amplifier les déviations angulaires induites par le modulateur acousto-optique et d'autre de bloquer l'ordre zéro du faisceau de diffraction. L'obturateur 14 étant ouvert, l'interférence des faisceaux transmis par les modulateurs 8 et 8' s'inscrit sous la forme d'un réseau de diffraction dans le milieu 4. L'inclinaison de ce réseau correspond à l'angle d'incidence défini par le modulateur 8. Pour une autre fréquence de modulation, la commande du modulateur acousto-optique 8 est modifiée de façon à modifier l'angle d'incidence du faisceau fourni par ce modulateur sur le milieu 4 et à obtenir un réseau de diffraction d'inclinaison différente. On procède de cette manière pour chaque fréquence de modulation. Dans la phase d'exploitation .de l'analyseur, le signal hyperfréquence à analyser est inscrit sur la porteuse optique FI par le modulateur 2. L'obturateur 14 est fermé. Le faisceau modulé est donc transmis uniquement par le modulateur 8' et le miroir 13 au milieu 4. Les différentes composantes spectrales du faisceau optique sont alors diffractées dans différentes directions par les réseaux de diffractions inscrits dans le milieu 4 et atteignent en différents points l'ensemble de photodétecteurs 6. Pour un fonctionnement à la longueur d'onde de 800 nm l'ensemble des composants nécessaires pour ce système est actuellement disponible. Le faisceau lumineux initial est fourni par une diode laser monochromatique stabilisée en fréquence. II traverse un modulateur électrooptique par exemple en Niobate de Lithium. Le matériau du milieu 4 sélectif en fréquence est un cristal de YAG dopé Tm avec un taux atomique de 0,5 %. Ce cristal a quelques millimètres d'épaisseur et est maintenu à la température de 5 K. Les réseaux de Bragg y sont enregistrés dans la bande d'absorption située à 793 nm dont les largeurs homogène et inhomogène sont respectivement de 150 kHz et 15 GHz. On peut considérer que la durée de vie d'un enregistrement est alors de 10 ms environ. Une variante de ce montage est représentée sur la figure 5. Dans cette configuration, le signal à analyser suit un chemin distinct de ceux des deux faisceaux d'enregistrement, tout en satisfaisant les conditions de diffraction de Bragg. On rafraîchit alors l'enregistrement en permanence, sans interrompre l'analyse spectrale du signal micro-onde. Des isolateurs à effet Faraday 20 à 22 évitent les couplages parasites entre les unités d'enregistrement et d'analyse. L'enregistrement des réseaux de diffraction dans le milieu 4 se fait comme décrit précédemment en utilisant le système comportant la source i, le modulateur 2, les modulateurs acousto-optiques 8 et 8' et un système optique 9. Pour le fonctionnement en analyseur, on utilise la source optique 1' et le modulateur 2' excité par le signal HF' à analyser. Le faisceau modulé par le modulateur 2' est transmis du milieu 4 dans lequel ont été inscrits les réseaux de diffraction. Ceuxci diffractent le faisceau vers différents points de l'ensemble de photodétecteurs 6 selon les fréquences contenues dans le signal HF'. Au lieu de prévoir une source 1' et un modulateur 2', il est possible d'utiliser la source 1 et le modulateur 2 en prévoyant un séparateur pour assurer la transmission du faisceau modulé par le filtre 20 au milieu 4. Selon une autre variante, I'inscription des réseaux est obtenue en remplaçant la source laser 1 et le modulateur hyperfréquence 2 alimenté par une rampe de fréquence par une source laser accordable de finesse spectrale compatible avec la largeur homogène (- 1 MHz) du matériau. Références [1] 'Two dimensional optical architecture for time-delay beamforming in a phased-array antenna", D. Dolfi, F. Michel-Gabriel, S. Bann, J-P. Huignard, Opt. Lett., 16, 255, 1991. [2] "Nonlinear laser spectroscopy of Eu3+:Y2SiO5 and its application to time-domain optical memory", R. Yano, M. Mitsunaga, and N. Uesugi, J. Opt. Soc. Am. B, 9, 992 (1992). [3] "Holographic motion picture by Eu :Y2SiO5", M. Mitsunaga, N. Uesugi, H. Sasaki, and K. Karaki, Opt. Lett., 19, 752 (1994). [4] "Holography in frequency selective media Il : Controlling the diffraction efficiency", S. Bernet, B. Kohler, A. Rebane, A. Renn and U. P. Wild, J. of Lumin. 53, 215-218 (1992). REVENDICATIONS 1. Analyseur de spectre de fréquences comprenant: - une source lumineuse (1) émettant un faisceau monochromatique (FI); - un modulateur optique (2) recevant le faisceau monochromatique (F1) capable de moduler ce faisceau sous la commande d'un signal électrique de fréquences (HF) et fournissant un faisceau modulé; - un cristal (4) en matériau photo-enregistrable présentant des propriétés d'enregistrement dans une gamme de fréquences étroites appelé matériau Spectral Hole Burning ou Permanent Spectral Hole Burning, ledit cristal recevant le faisceau modulé et transmettant un faisceau spatialement filtré en fréquences; - un ensemble de photodétecteurs (6) comportant un photodétecteur par fréquence à détecter et recevant le faisceau spatialement filtré en fréquences. 2. Analyseur de spectre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un système optique d'expansion (3) du faisceau modulé situé entre le modulateur (2) et le cristal photoenregistrable (4), ainsi qu'un système optique de focalisation (5) situé entre le cristal photo-enregistrable (4) et l'ensemble de photodétecteurs. 3. Analyseur de spectre selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cristal photo-enregistrable comporte plusieurs réseaux de diffraction enregistrés à des fréquences différentes. 4. Analyseur de spectre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux voies de transmission du faisceau modulé au cristal photo-enregistrable de façon à faire interférer deux faisceaux, issus du modulateur, dans le cristal photo-enregistrable. 5. Analyseur de spectre selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'une des voies comporte un moyen (8) pour contrôler la direction d'incidence de l'un des faisceaux sur le cristal photo-enregistrable. 6. Analyseur de spectre selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen pour contrôler la direction d'incidence comporte un premier modulateur acousto-optique (8), dont on contrôle la valeur du signal d'excitation acoustique en fonction de la fréquence de modulation du modulateur optique (2). 7. Analyseur de spectre selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'autre desdites deux voies comporte un deuxième modulateur acousto-optique (8') permettant de compenser toute variation de fréquence introduite par le premier modulateur acousto-optique (8). 8. Analyseur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une autre source optique (I') fournissant un faisceau monochromatique à un autre modulateur optique (2') excité par un signal électrique de fréquences à analyser, lequel transmet un faisceau modulé au cristal photo-enregistrable dont les réseaux de diffraction enregistrés diffractent la lumière selon les fréquences de modulation, vers des photodétecteurs de l'ensemble de photodétecteurs. 9. Analyseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que des moyens de dérivation transmettent le faisceau modulé par une troisième voie au cristal photo-enregistrable dont les réseaux enregistrés diffractent la lumière, selon les fréquences de modulation, vers des photodétecteurs de l'ensemble de photodétecteurs.