Brevet FR2772938A1 — publié le 19990625

GENERATEUR DE SIGNAL ELECTRIQUE L'invention concerne un générateur de signal électrique de fréquence donnée, selon des lois de phases et d'amplitudes déterminées. Elle est applicable à la génération de signaux électriques de forme d'onde arbitraire. L'invention comporte également des moyens de stockage optique de tels signaux. La synthèse de signaux hyperfréquence de forme d'onde arbitraire peut être une fonction nécessaire aux systèmes de communication (compensation de trajets multiples). La synthèse d'impulsions longues (type :10 à 100 ps) pour des signaux dont la porteuse est de fréquence élevée nécessite des capacités d'échantillonnage (10 à 12 bits), de stockage et de débit (- Tbits/s) difficilement réalisables simultanément, particulièrement dans les systèmes de faible encombrement. Les composants optoélectroniques (lasers, modulateurs, photodiodes) permettent la transmission jusqu'à 40 GHz de signaux de grande dynamique (30 à 40 dB). Par ailleurs, les modulateurs spatiaux de lumière issus de la technologie des écrans à cristaux liquides présentent des résolutions de l'ordre de 600 x 600 pixels. L'utilisation conjointe de ces composants optoélectroniques et de ces modulateurs spatiaux, grâce à la transposition dans le domaine spatial d'une partie des informations temporelles, devrait permettre la réalisation de formes d'ondes arbitraires. L'invention concerne un tel générateur permettant d'accomplir de telles fonctions. L'invention concerne donc un générateur de signal électrique, caractérisé en ce qu'il comporte: - un générateur d'un faisceau optique bifréquence et bipolarisé, - un système optique afocal recevant ce faisceau et fournissant un faisceau optique étendu spatialement; - un premier modulateur spatial fonctionnant en biréfringence contrôlée électriquement recevant le faisceau étendu et le modulant en phase spatialement, - un polariseur alignant les polarisations des deux fréquences contenues dans le faisceau modulé, - un deuxième modulateur spatial d'amplitude recevant le faisceau polarisé linéairement et le modulant spatialement en amplitude; - un dispositif de focalisation focalisant le faisceau modulé en amplitude; - un photodétecteur localisé sensiblement au point de focalisation du dispositif de focalisation détectant le faisceau optique reçu et fournissant un signal électrique. L'invention concerne également un générateur de signal électrique, caractérisé en ce qu'il comporte: - un générateur d'un faisceau optique bifréquence et bipolarisé, - un système optique afocal recevant ce faisceau et fournissant un faisceau optique étendu spatialement, - un premier modulateur spatial fonctionnant en biréfringence contrôlée électriquement recevant le faisceau étendu et le modulant en phase spatialement, - un polariseur alignant les polarisations des deux fréquences contenues dans le faisceau modulé, - un deuxième modulateur spatial d'amplitude recevant le faisceau polarisé linéairement et le modulant spatialement en amplitude; - un dispositif de focalisation focalisant le faisceau modulé en amplitude; - un milieu d'enregistrement holographique permettant d'enregistrer les lois de phases et d'amplitudes. 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 diagramme simplifié du générateur de l'invention ; - les figures 2a et 2b, des exemples de réalisation de translateurs de fréquences, - la figure 3, un exemple de réalisation d'un générateur optique bifréquence et bipolarisation; - les figures 4a à 4c, un générateur selon l'invention comportant un dispositif d'enregistrement holographique; - la figure 5, une variante du générateur des figures 4a à 4c. - la figure 6, une variante de réalisation du générateur de l'invention. En se reportant à la figure 1, on va donc décrire un diagramme simplifié représentant un exemple de réalisation du système de l'invention. Ce générateur comporte: - un laser émettant un faisceau optique de pulsation co; - un modulateur MOD ou translateur de fréquence MOD, qui, commandé par un signal électrique de fréquence fO, permet de décaler en fréquence un signal optique d'entrée ; - un système optique afocal comportant par exemple deux lentilles L1, L2 permettant d'étendre spatialement un faisceau optique d'entrée ; - un modulateur spatial SLM1 fonctionnant en biréfringence contrôlée électriquement modulant en phase spatialement, - un polariseur alignant les directions de polarisation des deux fréquences contenues dans le faisceau modulé; - un modulateur d'amplitude spatial SLM2; - une optique (lentille) L3 de focalisation ; - et un photodétecteur PD. Le faisceau issu du laser (L), de longueur d'onde x et de pulsation o, est couplé au modulateur MOD. Plus précisément, le modulateur MOD est un translateur de fréquence, excité par un signal hyperfréquence de gamme de fréquence fO + AfO (c'est la fréquence porteuse du signal à synthétiser dans laquelle M0 est petit devant fO par exemple M0 équivaut à 10 % de fO). Le faisceau issu du translateur MOD est ainsi un faisceau laser bifréquence (cOg # + (2#fo ~ #fo)) dont les deux composantes sont en outre croisées en polarisation. Un tel fonctionnement est par exemple obtenu au moyen d'une cellule de Bragg acousto-optique, fonctionnant en régime de Bragg anisotrope (figure 2a). Comme cela est représenté en figure 2a, la cellule de Bragg MOD est excitée par une onde acoustique générée par un signal électrique à la fréquence fO+ Afro. Pour simplifier, on supposera que le signal électrique est à une fréquence unique fO. Elle reçoit le faisceau F1 de pulsation w et est polarisée linéairement. En raison du réseau de diffraction créé dans la cellule de Bragg par le signal de fréquence fO, celle-ci diffracte un faisceau F2 de pulsation o + 2f et polarisé orthogonalement à la polarisation du faisceau F1. De plus la cellule de Bragg transmet une partie du faisceau F1 sous la forme d'un faisceau F3. Les deux faisceaux F2 et F3 sont recombinés en un seul faisceau F4 par un miroir M1 et une lame séparatrice M2. Un translateur de fréquence est décrit dans le document référencé [1] en fin de description. Le translateur de fréquence peut également être réalisé en optique intégrée comme est représenté en figure 2b et tel que décrit dans la référence : B. Desormière, CH. Maerfeld, J. Desbois An integrated optic frequency translator for microwave hightware systems , J. Lightwave Technol. 8, 506, 1990. Ce faisceau laser bifréquence bipolarisation est ensuite étendu au moyen d'un système afocal et traverse l'ensemble des deux modulateurs spatiaux de lumières SLM1 et SLM2, de p x p pixels chacun. Le modulateur SLM1 est par exemple une cellule à cristal liquide nématique fonctionnant en biréfringence contrôlée électriquement (alignement parallèle des molécules). L'orientation des molécules de cristal liquide est choisie de façon à ce que la polarisation de la composante o coïncide avec le petit axe des molécules alors que la polarisation de o + 2xfo coïncide avec le grand axe des molécules. Ainsi comme cela est détaillé dans la référence [1], I'indice de réfraction vu par o est constant et égal à nO alors que celui vu par w + 2nfo dépend de la tension Vk appliquée sur chaque pixel et vaut n(Vk). Ainsi le modulateur SLM1 permet de définir p x p canaux indépendants, sur lesquels il est possible de contrôler le déphasage relatif (pk(Vk)entre les composantes o et o + 2f0: #K (VK) = # (ne(VK)-no) e où e est l'épaisseur de cristal liquide traversée. Le faisceau modulé issu du modulateur SLM1 traverse ensuite un polariseur P orienté à 45 des axes neutres de SLM1. On dispose ainsi d'un ensemble de faisceaux bifréquence (#, co + 2xfo), polarisés linéairement (à 45 des polarisations initiales w et w + 2#fo) et contrôlés en phase. Cet ensemble de faisceaux passe ensuite au travers du modulateur spatial SLM2, de p x p pixels. C'est par exemple une cellule à cristal liquide nématique en hélice fonctionnant en tant que modulateur d'amplitude. II permet ainsi de contrôler indépendamment sur chacun des canaux définis par les p x p pixels la puissance optique transmise. La transmission de chaque pixel vaut dans ce cas ak. L'ensemble de ces faisceaux bifréquence, monopolarisation, contrôlés en phase et en amplitude, est ensuite focalisé sur un photodétecteur PD. C'est par exemple une photodiode rapide, dont la bande passante contient fO. En outre, la surface sensible est d'un diamètre supérieur à la tâche de diffraction fournie par le système optique L de manière à permettre une sommation équivalente à une somme cohérente de signaux électriques mais incohérente du point de vue des porteuses optiques, comme cela est expliqué dans le document référencé [2] en fin de description. Chaque canal bifréquence va générer en sortie du photodétecteur, un photocourant ik(t) proportionnel à : iK(t)&alpha;aK.cos(2#fo t + #K) Ainsi, le photocourant total l (t) issu de P est proportionnel à : Les modulateurs SLM1 et SLM2 sont reconfigurables à chaque instant ce qui permet d'avoir un système reconfigurable en amplitude et phase. La fréquence fO peut également être modifiée ce qui fournit une souplesse d'utilisation au système. II est à noter que la source bifréquence fournissant le faisceau bifréquence, bipolarisation (#,# + 2#fo) peut également être réalisée à l'aide de deux lasers (voir figure 3) bloqués en phase l'un par rapport à l'autre. L'un des laser L1 émet à la pulsation #, I'autre laser L2 émet à la pulsation co + 2#f ; et les deux faisceaux sont combinés en un seul. De préférence, le laser émettant à o + 2#f est accordable de façon à changer rapidement (typiquement de 10 ns) la valeur de f. En se reportant aux figures 4a à 4c, on va maintenant décrire une variante de réalisation du générateur de l'invention. Ce générateur comporte un milieu holographique E permettant d'enregistrer au moins une configuration de la loi de phase et de la loi d'amplitude du signal à émettre. Pour l'enregistrement du milieu holographique E on utilise le système de la figure 1 dans lequel on remplace le photodétecteur PD par le milieu holographique E. De plus, pour que l'enregistrement soit indépendant de la fréquence f, le modulateur de phase SML1 est tel que l'orientation des molécules de cristal liquide pour la direction de polarisation de l'onde à w soit parallèle au grand axe des molécules. Dans ces conditions, I'onde à w sera sensible aux variations de tension appliquées à chaque pixel. De plus, une lame séparatrice M3 permet de séparer le faisceau à w fourni par la source L en deux parties: - une première partie qui est traitée par les modulateurs SML1 et SML2 comme cela a été décrit précédemment ; - une deuxième partie est transmise par les miroirs M4 et M5 sans traitement au milieu holographique. Le milieu holographique E reçoit donc la première partie qui a été traitée selon la loi de phases affichée sur le modulateur SML1 puis par la loi d'amplitude affichée sur le modulateur SML2. Le milieu holographique E reçoit également la deuxième partie du faisceau o. Les deux parties du faisceau interfèrent dans le milieu holographique E et permettent d'enregistrer les lois de phases et d'amplitudes du faisceau o. Par la suite, lorsqu'on désire utiliser le milieu holographique enregistré pour émettre un signal à la fréquence f selon les lois de phases et d'amplitudes enregistrées, le modulateur MOD (voir figure 4b) émet un faisceau bifréquence, bipolarisation (o, w + 2if). Ce faisceau est transmis au milieu holographique. Le faisceau à o permet de relire l'enregistrement holographique E et l'onde à o, diffractée par le milieu holographique est affectée par les lois de phases et d'amplitudes enregistrées. Le faisceau à o > + 2 itf est diffracté sans subir de déformation. Le photodétecteur PD reçoit la superposition des faisceaux w et w + 2 sf. Selon le mode de réalisation représenté en figure 4c, le milieu holographique est en fait constitué de deux milieux: El est le milieu d'enregistrement holographique. C'est par exemple un matériau photoréfractif (ex. LiNbO3, titanate de baryum, etc...) sensible à une seule direction de polarisation et qui permet l'enregistrement reconfigurable de diverses lois d'amplitude et de phase (ak, (Pk) (par exemple par multiplexage en direction si les SLMs sont suivis d'un déflecteur ou par multiplexage en longueur d'onde si le laser est accordable). E2 est un composant diffractif non-reconfigurable (par exemple enregistré dans un photopolymère). II ne diffracte qu'une direction de polarisation, celle de la composante à # + 2 itf selon le schéma de la figure 4c. Un tel dispositif (El, E2) permet de maximiser les trajets communs des deux composantes (w, # + 2 #f) et ainsi garantir une bonne stabilité du système. Selon une variante de réalisation de l'invention, le milieu holographique E n'est plus constitué que par un matériau de type El. La phase d'enregistrement reste identique à la précédente. La phase de relecture est modifiée. Comme représenté en figure 5, les deux composantes o et o > + 2 itf suivent des trajets différents : la composante à w + 2#f passe au travers des modulateurs SLM1 et SLM2. Enfin l'invention prévoit également ia mise en parallèle de plusieurs des dispositifs décrits, fonctionnant chacun à une longueur d'onde #i et excité à une fréquence instantanée fi (t), permettant la synthèse de signaux à large spectre. Un tel dispositif permet, en fait, la synthèse de l'équivalent de retards temporels à partir de déphasages purs. La figure 6 représente une variante de réalisation de l'invention dans lequel le modulateur MOD est excité par un signal basse fréquence fO. Le photodétecteur reçoit donc un signal basse fréquence traité en phase et en amplitude par les modulateurs spatiaux SLM1 et SLM2. Le signal électrique fournit par le photodétecteur PD est transmis à un translateur de fréquence (ou mélangeur) qui recevant également un signal hyperfréquence f1 fournit alors un signal dans lequel le signal fO traité en phase et en amplitude par les modulateurs SLM1 et SLM2 est translaté autour de la fréquence hyper f1. Ce signal hyperfréquence peut être en fait un signal de fréquence f1 + M1. La variation de M1 est faible devant f1, par exemple de l'ordre de 10 % de la fréquence f1. Références [1] D. Dolfi, P. Joffre, J. Antoine, J.P. Huignard, D. Philippet, P. Granger Experimental demonstration of a phased-array antenna optically controlled with phase and time delays , Appl. Opt., 35, 5293,1996 [2] O. Durand, D. Dolfi, J.P. Huignard, J. Chazelas Optical architecture for programmable diltering of microwave signals Opt. Lett. 21, 803, 1006. REVENDICATIONS 1. Générateur de signal électrique, caractérisé en ce qu'il comporte: - un générateur (L, MOD) d'un faisceau optique au moins bifréquence (o, co + 27rfo) et bipolarisé, - un système optique afocal (L1, L2) recevant ce faisceau et fournissant un faisceau optique étendu spatialement; - un premier modulateur spatial (SLM1) fonctionnant en biréfringence contrôlée électriquement recevant le faisceau étendu et le modulant en phase spatialement; - un polariseur alignant les polarisations des deux fréquences contenues dans le faisceau modulé, - un deuxième modulateur spatial d'amplitude (SLM2) recevant le faisceau polarisé linéairement et le modulant spatialement en amplitude; - un dispositif de focalisation (L3) focalisant le faisceau modulé en amplitude; - un photodétecteur localisé sensiblement au point de focalisation du dispositif de focalisation détectant le faisceau optique reçu et fournissant un signal électrique. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier modulateur spatial est un écran à cristal liquide nématique fonctionnant en biréfringence contrôlée électriquement, les molécules étant orientées de façon que leur petit axe soit parallèle à la direction de polarisation de l'onde optique de l'une des fréquences ( 3. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième modulateur spatial est un écran à cristal liquide nématique en hélice. 4. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur (L, MOD) du faisceau bifréquence comporte: - une source optique émettant un faisceau polarisé linéairement (F1) à une première fréquence (w); - une cellule acousto-optique excitée par un signal électrique d'au moins une deuxième fréquence (2#f) recevant le faisceau polarisé linéairement et fournissant d'une part un faisceau diffracté (F2) polarisé selon une première direction à une fréquence égale à la somme de la première et de la deuxième fréquences, et d'autre part un faisceau non diffracté (F3) selon une deuxième direction orthogonale à la première direction à la première fréquence; - un combineur (Ml, M2) recevant le faisceau diffracté (F2) et le faisceau non diffracté (F3) fournissant le signal bifréquence et bipolarisé. 5. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polariseur est orienté à 45C des axes neutres de polarisation du premier modulateur (SLMl) recevant le faisceau modulé en phase spatialement et fournissant un faisceau polarisé linéairement. 6. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur (L, MOD) fournit un faisceau optique à plusieurs fréquences (#,# + 2#fo ~ #fo) et bipolarisé. 7. Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cellule acousto-optique est excitée par un signal électrique présentant une bande de fréquences (fo ~ #fo). 8. Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cellule acousto-optique est excitée par un signal électrique basse fréquence (fO) et en ce que le signal électrique fourni par le photodétecteur est transmis à un mélangeur de fréquence (TRF) recevant par ailleurs un signal hyperfréquence de fréquence f1 + M1, M1 étant faible devant f1 de façon à effectuer une translation du signal basse fréquence autour de la fréquence hyperfréquence. 9. Générateur de signal électrique, caractérisé en ce qu'il comporte: - un générateur (L, MOD) d'un faisceau optique bifréquence (w, w + 2#fo) et bipolarisé ; - un système optique afocal (L1, L2) recevant ce faisceau et fournissant un faisceau optique étendu spatialement ; - un premier modulateur spatial (SLM1) fonctionnant en biréfringence contrôlée électriquement recevant le faisceau étendu et le modulant en phase spatialement; - un polariseur alignant les polarisations des deux fréquences contenues dans le faisceau modulé, - un deuxième modulateur spatial d'amplitude (SLM2) recevant le faisceau polarisé linéairement et le modulant spatialement en amplitude; - un dispositif de focalisation (L3) focalisant le faisceau modulé en amplitude, - un milieu d'enregistrement holographique (E) permettant d'enregistrer les lois de phases et d'amplitudes. 10. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier modulateur spatial est un écran à cristal liquide nématique fonctionnant en biréfringence contrôlée électriquement, les molécules étant orientées de façon que leur grand axe soit parallèle à la direction de polarisation de l'onde optique de l'une des fréquences (o), tandis que leur petit axe soit parallèle à la direction de polarisation de l'onde optique de l'autre fréquence (o+2xf) et en ce que l'enregistrement du milieu holographique se fait par l'interférence d'une onde de pulsation (o) traitée par les modulateurs spatiaux (SLM1, SLM2) et d'une onde de même pulsation (o) non traitée par les modulateurs. 11. Générateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le faisceau optique bifréquences et bipolarisations est transmis sous forme d'un faisceau de lecture au milieu d'enregistrement holographique (E). 12. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le milieu d'enregistrement holographique (E) comporte un dispositif holographique enregistré (El) à l'aide d'une onde de pulsation (o) et un composant diffractif (E2) associé au dispositif holographique (El) et diffractant une onde de pulsation (o + 2nif).