Brevet FR2810750A1 — publié le 20011228

La présente invention concerne un dispositif acousto-optique programmable pour le contrôle de l'amplitude du spectre en longueurs d'onde des systèmes de communications optiques multiplexés en longueurs d'onde. D'une maniere générale, on sait que certains systèmes de communication optiques utilisent la technique du multiplexage en longueurs d'onde appelée WDM pour "Wavelength Division Multiplexing". Selon cette technique, les informations destinées à un abonné ou plus généralement ' un canal de transmission sont portées par une longueur d'onde particulière, et un grand nombre de canaux, c'est-à-dire de longueurs d'onde, sont utilisables simultanément. Habituellement, il est souhaitable que les niveaux de lumière transmis sur chacun des canaux, c'est-à-dire sur chacune des longueurs onde, soient égaux. Ceci est, en particulier, indispensable dans le cas de transmissions numériques ' les niveaux logiques sont définis par des niveaux de lumière. Or, les sources lumineuses présentent des fluctuations lentes au cours du temps, les fibres optiques ne transmettent pas toutes les longueurs d'onde avec la même intensité, les modulateurs présentent de l'absorption aux courtes longueurs d'onde, le réseau de communication est modifié au cours du temps et enfin les amplificateurs à fibres dopées à l'Erbium n'amplifient pas toutes les longueurs d'onde du spectre WDM la même manière. Le problème qui reste donc à résoudre est l'égalisation programmable de l'intensité lumineuse pour tous les canaux, en particulier en aval des amplificateurs à fibres. Plusieurs techniques d'égalisation adaptatives électroniques et optiques ont été proposées. Toutes sont assez complexes, sensibles à la polarisation de l'onde optique d'entrée et assez peu performantes soit en termes de bande passante et pertes d'insertion, soit en termes de dynamique et de qualité de l'égalisation. L'invention a plus particulièrement pour but de résoudre ces problèmes grâce à un filtre acousto-optique programmable appelé ci-après AOPEF pour Acousto Optic Programmable Equalization Filter pour mettre en forme ou égaliser l'amplitude des divers canaux contenus dans le spectre des systèmes de communication optiques multiplexés en longueurs d'onde. Elle propose à cet effet, d'une manière générale, un dispositif acousto-optique programmable comprenant un milieu élasto-optique biréfringent muni d'un transducteur capable de générer dans le milieu élasto-optique une onde acoustique modulée selon une direction déterminée, ainsi que des moyens de couplage dans le milieu élasto-optique d'une onde optique d'entrée de polarisation inconnue, de composantes inconnues H et V projetées sur les axes rapide et lent du milieu biréfringent. Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce que le dispositif comporte un circuit de programmation de la modulation en amplitude et en fréquence ou en phase de l'onde acoustique et fournit trois ondes optiques de sortie : une onde directe de même polarisation que l'onde optique d'entrée et deux ondes diffractées de polarisation H et V respectivement perpendiculaires l'une à l'autre, portant chacune une modulation en amplitude et en fréquence ou en phase de leur spectre qui est une fonction à la fois de la modulation de l'onde optique d'entrée et de la modulation de l'onde acoustique, la modulation du spectre de l'onde acoustique pourra être programmée de manière à compenser les distorsions d'amplitude ou à modifier la forme du spectre des différents canaux transmission des systèmes de communications optiques multiplexés en longueur d'onde. Selon première variante de l'invention, le faisceau optique de sortie utile portant le résultat de la mise en forme ou de l'égalisation est le faisceau direct transmis non diffracté. Selon deuxième variante de l'invention, les deux ondes de sortie diffractées de polarisation H et V sont recombinées suivant une onde sortie unique polarisation essentiellement identique à celle de l'onde optique d'entrée. Par ailleurs, le dispositif selon l'invention pourra comporter un circuit adaptatif comprenant une mesure du spectre optique à la sortie du dispositif une mesure de la réponse des canaux de transmission et un circuit de contre- réaction agissant sur le circuit de programmation du dispositif afin d'égaliser ou d'optimiser l'énergie optique dans tous canaux. Avantageusement, une partie du spectre de la modulation de l'onde acoustique sert à la mise en forme ou à l'égalisation de la composante H de la polarisation de l'onde optique incidente tandis qu'une autre partie distincte du spectre de la modulation de l'onde acoustique sert à la mise en forme ou l'égalisation de la composante V de la polarisation de l'onde incidente. La direction de propagation de l'énergie de l'onde acoustique pourra être colinéaire ou quasi-colinéaire avec la direction de propagation de l'énergie de l'onde optique d'entrée dans leur zone d'interaction. La modulation du spectre acoustique pourra comporter une phase qui varie au cours du temps de manière aléatoire ou pseudo-aléatoire avec un temps de corrélation très inférieur au temps de propagation acoustique dans cristal. Le signal acoustique, périodique, pourra présenter une période égale au temps de propagation acoustique dans la zone d'interaction du cristal. Avantageusement, le dispositif selon l'invention pourra être placé aval des amplificateurs à fibres dopées à l'Erbium. Le principe ainsi que des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci- après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels Les figures 1 et 2 sont des représentations schématiques de deux variantes d'un dispositif de modulation de lumière au moyen d'une interaction acousto-optique ; La figure 3 représente à un facteur près les courbes indices ordinaire et extraordinaire d'un cristal uniaxe biréfringent ; La figure 4 est un diagramme représentant la variation relative de fréquence Af/f en fonction de l'angle d'incidence 00 pour différentes valeurs de 6a comprises entre 4 et 14 ; La figure 5 montre un exemple de spectre S(f) ; Les figures 6A et 6B montrent les montages optiques des figures 1 et 2 équipés de systèmes de collimation d'entrée et de sortie permettant un couplage sur des fibres optiques. Dans les exemples représentés sur les figures 1 et 2, le dispositif de modulation de lumière fait intervenir un cristal acousto-optique biréfringent 1 au dioxyde de Tellure Te02 présentant une forme parallélépipédique allongée comprenant une face d'entrée 2, une face de sortie 3 et un angle abattu 4 adjacent à la face d'entrée 2 dont la face oblique est équipée d'un transducteur piézo-électrique 5. La direction du vecteur d'onde acoustique fait ici un angle compris entre 75 et 85 avec l'axe optique Oy du cristal 1 (figure 3). Sur la face d'entrée 2 du cristal est appliqué un faisceau de lumière polarisée (vecteur P) dont on a représenté les composantes sur l'axe ordinaire H et sur l'axe extraordinaire V. Cette onde lumineuse se propage dans le cristal 1 et ressort par face de sortie Dans l'exemple représenté sur la figure 1, à la sortie du cristal 1, miroir semi-réfléchissant 6 est disposé dans l'axe du signal optique d'entrée (axe de propagation ZZ'). Ce miroir semi-réfléchissant 6, orienté à 45 rapport audit , transmet une fraction du signal de sortie (signal direct transmis) sur un analyseur de spectre optique 7 couplé à un calculateur 8 qui reçoit également des informations d'un analyseur de la réponse des canaux de transmission 9. Ce calculateur 8 pilote un générateur de signaux RF 10 appliqués au transducteur piézo-électrique 5. Sur cette figure, on a également représenté les deux ondes optiques D, D' diffractées au sein du cristal 1, l'une de polarisation H' provenant de la composante V de l'onde optique d'entrée, l'autre de polarisation V' provenant de la composant H de l'onde optique d'entrée. Dans l'exemple représenté figure 2, au lieu de transmettre à l'analyseur 7 une fraction du signal direct transmis de sortie, on applique à celui-ci un signal résultant de la recombinaison des deux ondes diffractées D, D', grace à une optique mélangeuse (dispositif de recombinaison 12). Le signal recombiné est alors traité d'une façon analogue à celle de la fraction de signal de sortie de l'exemple représenté figure 1. Il convient de rappeler tout d'abord qu'une modulation de la lumière moyen d'une interaction acousto-optique est aujourd'hui employée dans de nombreuses applications telles que les modulateurs et les déflecteurs de lumière, les filtres réglables et les analyseurs de spectre, comme cela est décrit dans les chapitres 9 et 10 du livre "Optical waves in crystals" de A. Yariv et P. Yeh (Eds : John Wiley & Sons Inc. 1984). Le fonctionnement du filtre acousto-optique programmable (AOPEF) est basé sur une interaction acousto-optique colinéaire ou quasi-colinéaire dans un cristal acousto-optique biréfringent destinée à maximiser la longueur d'interaction effective entre une onde optique d'entrée E;"(t) et une onde acoustique programmable qui reproduit spatialement la forme du signal électrique S(t) appliqué au transducteur piézo-électrique du composant (figures 1 et 2). Une onde optique diffractée de sortie n'est générée en un point du cristal 1 que lorsque les conditions de cohérence de phase entre l'onde optique d'entrée et l'onde acoustique sont réalisées, comme cela est décrit dans le livre de A. Yariv et P. Yeh ( ibid. pages 177-189). Lorsque la polarisation de l'onde optique d'entrée est inconnue, comme cela est souvent le cas dans les fibres de transmission des systèmes de communication WDM, deux ondes optiques de sortie sont diffractées, l'une de polarisation H' provient de la composante V de l'onde optique d'entrée l'autre de polarisation V' provient de la composante H de l'onde optique d'entrée. Dans un cristal biréfringent 1 les deux composantes H et V de l'onde optique d'entrée ne se propagent pas à la même vitesse : la composante H se propage, par exemple à vitesse ordinaire tandis que la composante V se propage à la vitesse extraordinaire. Il s'ensuit que l'accord de phase entre l'onde acoustique et les deux composantes H et V de l'onde optique d'entrée ne se produit pas pour la même fréquence acoustique pour les deux polarisations et que écart de fréquence acoustique Of peut être utile pour traiter séparément les deux composantes et V d'une même onde optique d'entrée. L'invention propose plus particulièrement d'utiliser un signal de modulation acoustique dont une partie du spectre est couplée avec la composante H de l'onde optique d'entrée, tandis qu'une autre partie distincte de ce spectre de modulation couplée avec la composante V de l'onde optique d'entrée. Le fonctionnement du dispositif sera mieux compris en se référant à la figure 3 qui représente, pour un cristal uniaxe biréfringent, les courbes des indices ordinaire cercle de rayon no) et extraordinaire (une ellipse de grand axe ne et de petit axe no), multipliés par dans un plan contenant l'axe optique c du cristal (axe Oy de la figure 3). L'accord de phase entre une onde incidente H ordinaire de vecteur d'onde et de module une onde acoustique de vecteur d'onde et de module et une onde optique diffractée extraordinaire de vecteur d'onde et de module s'écrit : v et f étant respectivement les fréquences optique et acoustique, c et v les vitesses de phase de la lumière dans le vide et de l'onde acoustique dans la direction de propagation et nd l'indice de l'onde extraordinaire dans direction diffractée. 6o et 0, sont les angles des vecteurs _ avec l' Ox et si le rapport est petit devant 1, on peut démontrer mathématiquement que OK est la variation de longueur du vecteur entre la diffraction de l'onde ordinaire H d'angle d'incidence 60 vers l'onde extraordinaire V et la diffraction de l'onde extraordinaire V, de même angle d'incidence 60, vers l'onde ordinaire H'. Of/f est la variation relative de la fréquence acoustique f associée au vecteur Sur la figure 4, dans le cas d'un cristal de dioxyde de Tellure et pour une onde acoustique transversale de polarisation perpendiculaire au plan de la figure, on a tracé la variation relative de fréquence Af/f en fonction de 60 pour diverses valeurs de 6a comprises entre 4 et 14 . ailleurs, sur cette même figure, on a également tracé Af/f en fonction de 60 lorsque les vecteurs de "Poynting" de l'onde optique d'entrée et de l'onde acoustique sont alignés, c'est à dire lorsque la condition réalisée, v, et vy étant les vitesses de propagation acoustique de l'onde transversale respectivement suivant les axes Ox et Oy. Cette condition supplémentaire permet de maximiser le rendement de l'interaction acousto-optique. On peut alors remarquer sur figure 4 que pour une interaction en faisceau colinéaire ou quasi-colinéaire dans le dioxyde de Tellure, la valeur maximale de Af/f est obtenue pour: 00 - 65 et 0a - 10 et vaut environ : 4,6%, soit exprimé en longueurs d'ondes optiques, en tenant compte de 0X/@,=Of/f Da,=70 mm autour de a,=1, 5 5 Dans le fonctionnement de l'AOPEF selon l'invention et dans l'approximation où les ondes diffractées de sortie sont d'intensité faible devant l'intensité de l'onde d'optique d'entrée, fAOPEF réalise une convolution entre l'amplitude du signal optique d'entrée E;n(t) un signal S(t/#) dérivé du signal électrique S(t) appliqué au transducteur piézo 'lectrique du composant, comme cela est décrit dans l'article de P. Tournois "Acousto-optic programmable dispersive filter for adaptive compensation of group delay time dispersion in laser systems" paru dans Optics Communications 1 Août 1997, p 245-249 et dans l'article de F. Verluise et al. "Amplitude and phase control of ultrashort pulses by use of an acousto-optic programmable dispersive filter : pulse compression and shaping" paru dans Optics Letters le 15 avril 2000, p 575-577, soit Ed;rac e (t) E;,, (t) S( a Dans le domaine des fréquences, cette convolution s'écrit Edra,rée(v) ;n (v) - S(f) avec S1(f) et S2(f) sont deux fonctions sans recouvrement, dont l'une est obtenue à partir de l'autre par translation long de l'axe des fréquences. a est un facteur d'échelle égal au rapport de la vitesse v du son à la vitesse c de la lumière, multiplié par la différence 8n des indices ordinaire et extraordinaire pris sur l'axe de propagation choisi dans le cristal biréfringent du composant La très faible valeur de a, de l'ordre 10"7 permet de controler des signaux optiques quelques centaines de THz avec des signaux électriques de quelques dizaines de MHz. Sur la figure 5, on montre un exemple de spectre S(f) comportant une composante 1 SI (f) et une composante 2 S2(f) disjointes et translatées l'une par rapport à l'autre de la quantité Of définie plus haut. Pour ce type de signal S(t) une même modulation est appliquée aux deux composantes et V de l'onde optique d'entrée. Un grand nombre de cristaux peuvent être utilisés, tel le Niobate de Lithium, le Molybdate de Calcium et le dioxyde de Tellure Te02. Ce dernier matériau conduit à un rendement acousto-optique particulièrement grand pour une interaction colinéaire ou quasi-colinéaire suivant les vecteurs de "Poynting" des faisceaux optiques et acoustique, dans le cas de l'onde acoustique transverse lente. Il sera donc utilisé préférentiellement pour réaliser l'invention. Dans l'application à l'égalisation de l'amplitude des canaux de communication optiques obj de l'invention - lorsque signal utilisé en sortie du composant est le signal direct transmis non diffracté (figure 1), le signal acoustique appliqué à l'AOPEF doit être continu et ne porter qu'une information d'amplitude spectrale 1 S(f) telle que (dans l'approximation de la convolution) - lorsque le signal utilisé en sortie du composant est une recombinaison des signaux diffractés H' et V (figure 2), le signal acoustique appliqué à l'AOPEF doit être continu et ne porter qu'une information d'amplitude spectrale 1 S(f) telle que Le signal électrique S(t) le mieux adapté est donc - soit un signal dont le spectre comporte une phase qui varie cours du temps de manière aléatoire ou pseudo-aléatoire avec un temps de corrélation très inférieur au temps de propagation acoustique dans le cristal, - soit un signal périodique de période rigoureusement égale au temps de propagation acoustique dans la zone d'interaction du cristal. Dans cas où le coefficient de transmission de l'onde optique d'entrée vers les ondes diffractées est élevé et où l'approximation de la convolution ne s'applique pas, le signal acoustique est plus compliqué, mais un système de bouclage adaptatif à contre réaction, utilisant un algorithme de convergence approprié, permet d'atteindre l'égalisation comme cela est décrit dans l'article de W. Yang et al. "Real time adaptative amplitude feedback in an AOM based ultra short pulse shaping system", paru dans IEEE Photonics Technology Letters volume 11, N 12, Décembre 1999, pages 1665-1667. Les dispositifs des figures 1 et 2 devant être couplés à des fibres Fe, Fs à l'entrée et à la sortie des dispositifs, des systèmes de collimation COI, COz ayant leur axe de collimation confondus (figure 6A) ou non (systèmes de collimation C03, C04, figure 6B) permettront ce couplage. Dans cas de la solution représentée figure 6B, le système de collimation C04 est placé en sortie du dispositif de recombinaison 12. Enfin ' titre d'exemples numériques, pour une longueur d'onde a, = 1,55 gym, c'est-à dire une fréquence optique v=193,5 THz et pour la coupe du cristal de Te02 qui rend colinéaire la propagation du signal optique d'entrée et la propagation de l'énergie acoustique, pour laquelle a=1,4 1Ë, fréquence centrale acoustique à appliquer au transducteur est f =a.v=27MHz Si la bande passante à égaliser est Aa,=70nm, la bande passante du signal électrique à appliquer au transducteur est pour composante H du vecteur de polarisation de l'onde optique d'entrée et Ofv pour la composante V, soit au total Af = 2,4 MHz puisque les deux spectres de modulation Si et S2 sont disjoints. Si L la longueur d'interaction colinéaire dans le cristal, c'est-à-dire approximativement la longueur du cristal, le nombre des points de programmation spectrale indépendants N destiné à moduler le signal S(t) dans la bande d'égalisation est donné, pour cette coupe du Te02 par soit N=14,5 points par cm de longueur de cristal pour chacune des polarisations H et V. La densité de puissance acoustique P à appliquer au transducteur pour une efficacité de diffraction de 100% est donnée par Soit environ 0,5 W/mm2 pour Da, = 70 nm et L = 1 cm. Revendications 1. Dispositif acousto-optique programmable comprenant un milieu élasto-optique biréfringent (1) muni d'un transducteur (5) capable de générer dans le milieu élasto-optique (1) une onde acoustique modulée selon une direction déterminée, ainsi que des moyens de couplage dans le milieu élasto- optique (1) d'une onde optique d'entrée de polarisation inconnue, de composantes inconnues H et V projetées sur les axes rapide et lent du milieu biréfringent, caractérisé ce que le dispositif comporte un circuit de programmation (8, 10) de la modulation en amplitude et en fréquence ou en phase de l'onde acoustique fournit trois ondes optiques de sortie : onde directe de même polarisation que l'onde optique d'entrée et deux ondes diffractées de polarisation et V respectivement perpendiculaires une à l'autre, portant chacune une modulation en amplitude et en fréquence ou en phase de leur spectre qui est une fonction à la fois de la modulation de l'onde optique d'entrée et la modulation de l'onde acoustique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé ce que la modulation du spectre de l'onde acoustique est programmée de manière à compenser les distorsions d'amplitude ou à modifier la forme du spectre des différents canaux de transmission des systèmes de communications optiques multiplexés en longueur d'onde. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le faisceau optique de sortie utile portant le résultat de la mise en forme ou de l'égalisation est le faisceau direct transmis non diffracté. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux ondes de sortie diffractées de polarisation et sont recombinées (dispositif de recombinaison 12) suivant une onde de sortie unique de polarisation essentiellement identique à celle de l'onde optique d'entrée. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit adaptatif comprenant une mesure du spectre optique (analyseur 12) à la sortie du dispositif ou une mesure la reponse des canaux de transmission (analyseur 9) et un circuit de contre- reaction agissant sur le circuit de programmation (8, 10) du dispositif afin d'égaliser ou d'optimiser l'énergie optique dans tous canaux. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une partie du spectre de la modulation de l'onde acoustique sert à la mise en forme ou à l'égalisation de la composante H la polarisation de l'onde optique incidente et en ce qu'une autre partie distincte spectre de la modulation de l'onde acoustique sert à la mise en forme ou l'égalisation de la composante V de la polarisation de l'onde incidente. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'entrée et la sortie du dispositif sont des faisceaux collimatés issus de fibres optiques dont les axes de collimation sont confondus ou non. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction de propagation de l'énergie de l'onde acoustique est colinéaire ou quasi-colinéaire avec la direction de propagation de l'énergie de l'onde optique d'entrée dans leur zone d'interaction. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 8, caractérisé en ce que le milieu élasto-optique est le dioxyde de Tellure et la direction du vecteur d'onde acoustique fait un angle avec l'axe optique du cristal compris entre 75 et 85 . 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérise en ce que la modulation du spectre acoustique comporte phase qui varie cours du temps de manière aléatoire ou pseudo-aléatoire avec un temps de corrélation très inférieur au temps de propagation acoustique dans le cristal. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le signal acoustique est périodique de période egale au temps de propagation acoustique dans la zone d'interaction du cristal (1).