Brevet FR2821210A1 — publié le 20020823

DETECTEUR PHOTOSENSIBLE POUR DES SIGNAUX OPTIQUES COHERENTS DE FAIBLE PUISSANCE. La présente invention concerne le domaine des photodétecteur, et plus particulièrement des détecteurs photosensibles pour des signaux optiques cohérents de faible puissance. On connaît dans l'état de la technique des équipements comme des photomultiplicateurs ou des diodes à avalanche. Ces équipements ne permettent pas la détection de signaux de puissance inférieure à une limite fixée par le rapport entre l'énergie d'un photon et un temps caractéristique du détecteur : cette limite est de l'ordre du picowatt pour un temps de l'ordre de la nanoseconde et un photon d'énergie de l'ordre de 10 (-20) joule. Ces équipements sont donc des détecteurs d'impulsions et ne permettent pas de détecter un photon dont l'énergie est distribué dans un temps supérieur au temps caractéristique du détecteur. Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un nouveau type de détecteur photosensible permettant de détecter des niveaux de puissance de l'ordre du femtowatt, ou de détecter un photon unique caractérisé par un temps de corrélation ou de cohérence inférieur à celui autorisé avec les photodétecteurs de l'état de la technique. A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un détecteur photosensible pour des signaux faibles caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'entrée constitué par un laser dont la sortie est accouplée avec un filtre spectral. Avec un tel détecteur, la totalité de l'énergie associée à un photon peut être détectée, contrairement au cas des détecteurs de l'état de la technique qui ne sont opérationnel que pendant le temps de corrélation intrinsèque de l'ordre de la nanoseconde. L'association des opérations d'amplification résonnante par le laser et de filtrage permet de gagner un facteur d'environ 10000 sur la sensibilité, par rapport aux détecteurs de l'état de la technique. Avantageusement, ledit laser présente une fréquence de résonance va et une largeur de raie Va. La fréquence centrale du signal lumineux à détecter est vd.v0 doit être très voisine de vs, typiquement telle que jvo) Selon un mode de réalisation préférentiel, la largeur de raie Vd du laser est telle que Av, très inférieur à AVO. Selon une première variante, le filtre spectral est un filtre interférentiel. Selon une deuxième variante, le filtre spectral est un système hétérodyne comportant un oscillateur optique local de largeur de raie Av, de fréquence centrale vd + vB où vd désigne la fréquence centrale du signal lumineux à détecter avec #v1 approximativement égal à #vd.vB est la basse fréquence du filtre électronique. L'invention concerne également un démultiplexeur comprenant une pluralité de détecteurs photosensibles comme ci-dessus, mais chacun ayant une fréquence de résonance différente voi, très proche de l'une des composantes spectrales vdià détecter. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'un exemple non limitatif de réalisation qui suit, ce référant aux dessins annexés où : - la figure 1 représente le schéma de principe d'un photodétecteur selon une première variante de réalisation ; - la figure 2 représente le schéma de principe d'un photodétecteur selon une deuxième variante de réalisation ; - la figure 3 représente le schéma de principe d'un photodétecteur selon une troisième variante de réalisation ; la figure 4 représente le schéma de principe d'un démultiplexeur optique basé sur les propriétés des photodétecteurs ci-dessus. La figure 1 représente le schéma général de principe d'un exemple de réalisation d'un photodétecteur selon l'invention. Il comprend un étage d'entrée constitué par un système optique, focalisant le signal à détecter sur un laser (2). Une sortie de ce laser est couplée optiquement à un filtre (3) interposé entre le laser (2) et un photodétecteur (4). Ce filtre peut être un interféromètre de Fabry-Perot. La figure 2 représente une variante de réalisation d'un photodétecteur selon l'invention. Il comprend un étage d'entrée constitué par un système optique, focalisant le signal à détecter sur un laser (2). Une sortie de ce laser est couplée optiquement (7) à une fibre optique puis mélangée à un signal de référence produit par un oscillateur local (5) (laser de référence par exemple). Le montage optique comprend par ailleurs des dispositifs de focalisation (6,7) à l'entrée et à la sortie du laser détecteur (2). La figure 3 représente le schéma de principe d'un troisième exemple de réalisation d'un photodétecteur selon l'invention. le filtrage optique est réalisé sous la forme d'un réseau photoréfractif (8) dans une fibre optique. Il comprend un étage d'entrée constitué par un système optique, focalisant le signal à détecter sur un laser (2). Une sortie de ce laser est couplée optiquement à un miroir de Bragg par l'intermédiaire d'un isolateur optique. Ce miroir de Bragg doit être caractérisé par une fréquence centrale de réflexion Vd et une bande Ad. Un photodétecteur (4) détecte ce mélange et sa sortie est ensuite filtrée de manière électronique, selon la méthode classique de la détection hétérodyne : l'oscillateur local a une fréquence vd + vB et une largeur de bande aval proche ou plus petite que VD. La détection électronique se fait à travers un filtre centré à la fréquence de battement v. et de largeur de bande #v1. Ces équipements réalisent d'abord une amplification du signal électromagnétique à détecter, puis un filtrage spectral du signal ainsi amplifié, avant de procéder à une transformation électrique du signal. Il conserve la cohérence de la lumière à détecter, y compris dans le cas d'un photon unique multimode. La sortie du laser (2) est filtrée en fréquence de façon à ne garder que la partie spectrale correspondant à la réponse au signal à détecter. Le laser détecteur est caractérisé par une fréquence de résonance Vo et par une largeur de raie vo. Ces grandeurs varient en fonction de la nature du laser : par exemple, #v0 vaut moins de 1 Hz pour un laser à gaz, 10 kHz pour un laser Nd3+ : YAG, 2, kHz à 200 MHz pour un laser à semiconducteurs. De même, la fréquence de résonance Va varie de l'ultraviolet à l'infrarouge. Les caractéristiques du champ faible à détecter sont : une fréquence central vd - une largeur de raie Vd Les conditions de fonctionnement du laser détecteur sont optimales quand : jd-ol - A\ AVg, où Av désigne la largeur de la raie de résonance du laser détecteur (2). Ces conditions sont déterminantes pour obtenir un rapport signal sur bruit et une discrimination élevée. Le mécanisme d'amplification dans la bande de résonance du laser est le suivant : Sans signal extérieur, le laser seul excité par l'émission spontanée dont le spectre est très large. Le laser filtre la partie de ce spectre correspondant à sa ou ses bandes de résonance et l'amplifie. Le filtrage est très sélectif, avec une bande de largeur va très petite, mais l'amplification est très importante, de l'ordre de 1 à 10 millions pour la fréquence centrale. Avec un signal extérieur dans cette bande de résonance, le laser détecteur (2) amplifie de la même façon, et on bénéficie donc pour le signal à détecter de ce gain pour chaque composante fréquentielle. L'énergie qui est prise par une composante fréquentielle injectée contribue à diminuer, par effet non linéaire, l'amplification du champ spontané. On assiste à un transfert d'énergie de la raie d'émission normale du laser vers la raie injectée. Cette redistribution spectrale de l'énergie est d'autant plus marquée que le champ injecté augmente. On obtient donc une amplification jusqu'à ce que la saturation apparaisse et toute l'énergie du laser se retrouve dans la distribution spectrale correspondant à celle du champ injecté. On arrive alors au régime de saturation. L'opération de filtrage réalisée par le filtre spectral (3) augmente le rapport signal sur bruit quand le signal à détecter est trop faible pour provoquer la redistribution spectrale susvisée. Le filtre (3) sur la figure 1 peut être constitué par un filtre interférentiel (interféromètre de Fabry-Perot ou à réseau, monochromateur, réseau de Bragg). Il peut être remplacé, comme représenté en figure 3, par un filtre électronique réalisé par une détection hétérodyne entre un oscillateur local de fréquence centrale vd + VB voisine de celle du signal à détecter et de largeur spectrale Vl voisine de Vd. Par exemple, veb = 100 Mhz. Un tel oscillateur local peut être constitué par un laser (5), ou encore par un signal de référence distribué sur le réseau optique. La figure 4 représente un exemple d'application pour la réalisation de démultiplexeurs destinés aux télécommunications optiques. Un signal multifréquence de faible niveau, par exemple 10-12 Watt par canal) diverge à la sortie d'une fibre optique (10). Le signal comporte par exemple 16 composantes fréquentielles Vdi, avec i variant de 1 à 16, de largeur spectrale vD donnée. On place dans le cône de lumière 16 lasers détecteurs (11) chacun ayant sa fréquence de résonance vi. centrée sur l'une desdites fréquences. Chaque laser va amplifier seulement la composante fréquentielle v correspondant à sa fréquence propre Vai. La sortie de chaque laser (11), après filtrage par un filtre (13) associé, peut ensuite éclairer un détecteur photoélectrique (12). REVENDICATIONS 1-Détecteur photosensible pour des signaux faibles caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'entrée constitué par un laser dont la sortie est accouplée à un filtre spectral. 2-Détecteur photosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit laser présente une fréquence de résonance v,, et une largeur de raie Avo telle que Ive-vol Avo/4, où vd désigne la fréquence centrale du signal lumineux à détecter. 3-Détecteur photosensible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le laser présente une largeur de raie Avo telle que #V0 > > #vd où vd désigne la largeur de la raie du signal lumineux à détecter. 4-Détecteur photosensible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtre spectral est un filtre interférentiel. 5-Détecteur photosensible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le filtre spectral est une détection hétérodyne comportant : - un oscillateur optique local de fréquence centrale vd + Vb ou vd désigne la fréquence centrale du signal lumineux à détecter et vb la fréquence de battement et de largeur de raie as approximativement égal à Avd, ainsi qu'un filtre électronique centré à vbet de largeur spectral #vd. 6 - Démultiplexeur comprenant une pluralité de détecteurs photosensibles chacun analogue aux revendications ci-dessus, mais chacun ayant une fréquence adaptée à l'une des fréquences à détecter.