Brevet FR2820837A1 — publié le 20020816

La présente invention concerne une amélioration du 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, objet de la demande de brevet FR No 00 08278, déposée le 21 juin 2000, au nom de la Demanderesse. D'une manière 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 à 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 d'onde, soient identiques. Ceci est, en particulier, indispensable dans le cas de transmissions numériques où 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 optiques à fibres dopées à l'Erbium n'amplifient pas toutes les longueurs d'onde du spectre utilisé de la même manière. Le problème qui reste donc à résoudre est l'égalisation programmable de l'intensité lumineuse pour tous les canaux, en particulier au niveau 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 de pertes d'insertion, soit en termes de dynamique et de qualité de l'égalisation. L'invention objet de la demande de brevet FR No 00 08278 a pour but de résoudre ces problèmes grâce à un filtre acousto-optique programmable appelé 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. Cette demande de brevet antérieure concerne 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 rapides et lents du milieu biréfringent. Selon cette demande de brevet antérieure, 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 non diffractée 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 peut être 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. Par ailleurs, le dispositif selon cette demande de brevet antérieure peut utiliser comme faisceau optique de sortie utile portant le résultat de la mise en forme ou de l'égalisation, le faisceau direct non diffracté et comporter un circuit adaptatif comprenant une mesure du spectre optique à la sortie du dispositif ou une mesure de la réponse des canaux de transmission et un circuit de contreréaction agissant sur le circuit de programmation du dispositif afin d'égaliser ou d'optimiser l'énergie optique dans tous canaux. Ce dispositif permet un traitement de toutes les composantes de polarisation optique : 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 peut être colinéaire ou quasi-colinéaire avec la direction de propagation de l'énergie de l'onde optique d'entrée dans leur zone d'interaction. Selon les revendications 10 et 11 de la demande de brevet antérieure, la modulation du spectre acoustique peut 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 le cristal et/ou être obtenue par un signal acoustique périodique, de période égale au temps de propagation acoustique dans la zone d'interaction du cristal. Ce procédé présente l'inconvénient suivant : si le temps de corrélation de la variation de phase est très court, la résolution en fréquence du dispositif se trouve fortement dégradée. Si on allonge ce temps de corrélation, on constate une variation temporelle du pouvoir d'atténuation du dispositif à une longueur d'onde donnée. Cette variation temporelle est liée à un phénomène de diffractions multiples : l'onde optique diffractée par une fréquence acoustique se trouve être rediffractée ultérieurement par une fréquence acoustique proche contenue dans le spectre acoustique émis. Les diverses fréquences acoustiques se trouvant réparties dans le cristal de manière variable au cours du temps, en raison du caractère propagatif des ondes, l'effet global des diffractions multiples n'est pas temporellement constant. Ce phénomène limite l'utilisation du brevet précité a des niveaux d'atténuation suffisamment faibles pour que les effets de diffraction multiples soient négligeables. L'invention, objet de la demande, a pour but de supprimer cet inconvénient. Elle propose, à cet effet, d'étendre l'utilisation de la demande brevet précitée, en utilisant une configuration de cristaux acousto-optiques et de fréquences acoustiques permettant de s'affranchir du phénomène de diffraction multiples. A cet effet, elle utilise une combinaison de fréquences pures telle qu'en aucun point du milieu élasto-optique traversé par l'onde optique, il ne puisse y avoir deux fréquences acoustiques suffisamment proches pour qu'une diffraction multiple faisant intervenir ces deux fréquences soit possible avec un rendement de diffraction appréciable. Une analyse expérimentale et théorique montre que pour que cette condition soit satisfaite, il faut que la distance entre deux fréquences voisines soit au moins égale à trois fois la résolution en fréquence du dispositif d'interactions. Or, il a été montré, par exemple dans le chapitre du livre optical waves in crystals de A. Yariv et P. Yeh (Eds. J. Wiley and sons inc., 1984) que la résolution en longueurs d'ondes optiques d'un tel dispositif d'interactions acousto-optiques excité par une fréquence pure acoustique est inversement proportionnelle au nombre de longueurs d'ondes acoustiques contenus dans la zone d'interactions et, est donné approximativement par : Â étant la longueur d'onde optique, L la longueur de la zone d'interaction et An la biréfringence optique sur l'axe optique de propagation optique dans le cristal. Pour une longueur d'onde optique de À. 1, 5 u., une longueur d'interaction de L = 25 mm et An = 0,04, on obtient AÂ. = 2,25 nm. Si la fréquence moyenne d'excitation acoustique est f = 27 MHz, la résolution en fréquence du dispositif est : Par ailleurs, si seulement des fréquences pures sont utilisées, il est nécessaire, pour couvrir de manière uniforme toutes les longueurs optiques d'une bande spectrale donnée, d'utiliser une série de fréquences pures d'excitation acoustique au plus distantes d'une demi résolution en fréquence du dispositif. Pour satisfaire à la fois, la condition d'absence de diffractions multiples (distance des fréquences d'au moins trois fois la résolution dans un même faisceau acoustique) et de couverture complète et uniforme du spectre des canaux (distance des fréquences d'au plus une demi fois la résolution), il est nécessaire que le faisceau optique parcourt successivement au moins six faisceaux acoustiques. Pour contrôler les deux polarisations selon le principe de l'invention initialement citée, chacun des faisceaux sera excité par deux séries de fréquences, l'une pour le contrôle de la composante H de la polarisation de l'onde optique d'entrée projetée sur l'axe rapide des cristaux biréfringents, l'autre pour la composante V de la polarisation de l'onde optique d'entrée projetée sur l'axe lent des cristaux biréfringents. A titre d'exemple, l'onde optique peut parcourir successivement six cristaux distincts contenant chacun un faisceau acoustique dont le transducteur est excité par deux séries de fréquences, les fréquences étant dans chaque séries distantes de trois fois la résolution en fréquence du dispositif. Entre deux transducteurs successifs de deux cristaux successifs, les séries de fréquence seront décalées d'une demi fois la résolution du dispositif individuel. L'onde optique peut aussi parcourir successivement six faisceaux acoustiques parallèles générés dans un même cristal au moyen de six transducteurs parallèles, des moyens de renvoi de l'onde optique d'un faisceau acoustique dans l'autre tels que des coins de cube optiques étant prévu. De façon intermédiaire, l'onde optique peut aussi parcourir successivement trois faisceaux acoustiques parallèles générés dans un cristal puis trois faisceaux acoustiques parallèles générés dans un autre cristal. Les composantes H et V de la polarisation de l'onde optique incidente ne se propageant pas à la même vitesse dans les milieux acousto-optiques biréfringents, il est nécessaire de compenser cette dispersion de polarisation au moyen de la propagation de l'onde optique dans un cristal dont la biréfringence est opposée à la biréfringence des milieux acousto-optiques. A titre d'exemple, le dioxyde de Tellure (Te02) étant choisi comme milieu acousto-optique, chacun des faisceaux acoustiques ayant une longueur d'interaction de 25 mm, soit une longueur d'interaction totale de : 6 x 25 mm= 150 mm, la biréfringence sur l'axe de propagation optique choisie étant An = 0,04, la différence de chemins optiques entre les deux composantes H et V de la polarisation est de 0,04 x 150 mm = 6 mm, qu'on peut compenser par le parcours de l'onde optique dans un cristal de Calcite (CO3Ca) dont la biréfringence est négative de valeur : An =-0, 16, c'est-à-dire pour le parcours de l'onde optique dans une longueur d'un cristal de Calcite égale à 1 = (0,04 x 150) /0, 16 = 37, 5 mm. Enfin, l'énergie des composantes H et V de l'onde optique ne se propageant pas dans la même direction (direction des vecteurs de Poynting) dans les milieux acousto-optiques biréfringents, il est souhaitable de compenser cette déviation désignée ci-après ("walk off"), lors de la mise en série sur le faisceau optique des faisceaux acoustiques, soit par une inversion du sens de la propagation acoustique par rapport à l'onde optique, soit par une inversion du sens de l'axe optique par rapport à l'axe de propagation optique, lors de deux interactions successives. Ceci conduit à préférer l'utilisation d'un nombre pair de faisceaux acoustiques. Le dispositif de compensation de dispersion de polarisation, constitué par exemple de Calcite, présentant lui aussi une déviation du type précédent, il est souhaitable de le réaliser avec deux cristaux traversés successivement par l'onde optique et dont les axes optiques sont inversés. Le principe ainsi que des modes d'exécution de l'invention seront décrits ciaprès, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif acousto- optique programmable selon l'invention, dans lequel une onde optique d'entrée interagit successivement avec plusieurs faisceaux acoustiques ; La figure 2 est une vue en coupe d'un cristal acousto-optique biréfringent mettant en évidence la propagation de l'onde acoustique et de l'onde optique ; La figure 3 est une représentation schématique d'un montage en cascade de six cristaux acousto-optiques ayant un même sens de propagation de l'onde acoustique ; La figure 4 est une représentation schématique d'un montage en cascade de six cristaux acousto-optiques ayant des sens de propagations acoustiques alternativement inversés ; Les figures 5 et 6 représentent en vue de dessus et en vus de côté un cristal dans lequel sont générés six faisceaux acoustiques parallèles dans lesquels se propage un rayonnement lumineux suivant un trajet sinueux grâce à des coins de cube optiques de renvoi de l'onde lumineuse ; La figure 7 est un diagramme schématique montrant la superposition des séries de fréquence résultant du passage de l'onde optique dans les faisceaux acoustiques. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le dispositif acousto-optique programmable fait intervenir un bloc acousto-optique représenté de façon schématique par un rectangle 1 et qui présente une face d'entrée 2 sur laquelle est appliqué un faisceau de lumière polarisée d'axe de propagation Z. Ce faisceau se propage dans le bloc acousto-optique et ressort par une face de sortie 3 selon un axe de propagation Z'. Dans l'axe du faisceau de sortie Z'est disposé un miroir semi-réfléchissant 4 orienté à 450 par rapport à l'axe Z'. Ce miroir transmet une fraction du signal de sortie (signal direct transmis) sur un circuit adaptatif comprenant un analyseur de spectre optique 5 et, éventuellement, un analyseur de la réponse des canaux de transmission 7, couplé à un calculateur 6 et à un générateur de signaux RF 8 qui constituent un système de contre-réaction agissant de manière à égaliser ou à optimiser l'énergie optique dans tous les canaux. Le calculateur 6 pilote un générateur de signaux RF 8 appliqué aux transducteurs acousto-électriques Tl à T6 du bloc acousto-optique 1. Il est programmé de manière à engendrer une modulation du spectre de fréquence des ondes acoustiques compensant les dispersions d'amplitude ou modifiant la forme du spectre de fréquence des différents canaux de transmission des systèmes de communication optiques multiplexés en longueur d'onde. Dans le but de satisfaire à la fois la condition d'absence de diffractions multiples et de couverture complète et uniforme du spectre des canaux, le bloc acousto-optique 1 comprend six cristaux acousto-optiques CI à C6 montés en cascade et présentant chacun une structure analogue à celle du cristal acoustooptique biréfringent au dioxyde de Tellure représenté sur la figure 2. Ce cristal présente dans le plan des axes cristallins [001] et [110] une forme parallélépipédique dont l'axe médian longitudinal est incliné selon un angle 00 par rapport à l'axe [110] (l'angle du vecteur d'onde acoustique faisant un angle 8a compris entre 5 et 150 avec l'axe [110] du cristal, c'est-à-dire un angle compris entre 75 et 850 avec l'axe optique [001] du cristal). Les deux faces latérales longitudinales Full, FL2 du cristal dont seules les traces sont visibles sont constituées par des coupes en biseau non réfléchissantes. Sur la face FLI est disposé un transducteur électro-acoustique T destiné à engendrer une onde acoustique dont la zone de propagation de l'énergie acoustique est représenté par la zone hachurée ZH, l'axe de propagation de l'énergie acoustique étant indiqué par la flèche f. Dans cet exemple, le cristal utilisé est un cristal acousto-optique biréfringent au dioxyde de Tellure, la longueur d'onde de l'onde optique incidente est d'environ 1550 nm tandis que la fréquence d'excitation du transducteur est d'environ 27 MHz. Pour obtenir une autocompensation du ("walk off) lors de la mise en série sur le faisceau optique des faisceaux acoustiques, il est possible : - soit de retourner alternativement l'axe optique des cristaux par rapport à l'axe de propagation optique de la façon indiquée sur les figures 1 et 3, - soit d'inverser alternativement le sens de propagation acoustique (figure 4) dans les cristaux successifs. La compensation de la dispersion de polarisation (différence des temps de trajet entre la composante H de la polarisation de l'onde optique incidente projetée sur les axes rapides et la composante V projetée sur les axes lents des milieux biréfringent élasto-optique) est obtenue dans les deux cas au moyen de deux cristaux de calcite accolés CAl, CA2 dont les axes optiques sont inversés et qui présentent une biréfringence opposée à celle ou des milieux élastooptiques. L'invention ne se limite pas aux modes d'exécution précédemment évoqués. Ainsi, le bloc optique 1 pourrait comprendre un cristal unique 11 parcouru successivement par six faisceaux acoustiques parallèles FI à F6 engendrés par six transducteurs électro-acoustiques respectifs T', à T'e. L'onde optique incidente 1 pénètre dans le cristal dans l'axe d'un premier faisceau acoustique FI. Elle traverse le cristal selon un premier trajet TRI et est ensuite renvoyée dans le second faisceau acoustique F z grâce à un coin de cube optique de renvoi CRI. Elle traverse donc le cristal en sens inverse selon un second trajet TR2 parallèle au premier puis elle est renvoyée dans le troisième faisceau acoustique F3 grâce à un deuxième coin de cube optique de renvoi CR2. Ce processus se répète jusqu'à ce que l'onde optique soit renvoyée par un cinquième coin de cube optique CR5 dans le sixième faisceau F56 et effectue un sixième trajet TR6 parallèle aux précédents. A la sortie de ce trajet Ter6, l'onde optique traverse un compensateur constitué par deux cristaux de calcite accolés CAl, CA2 dont les axes optiques sont inversés. Dans les exemples précédemment décrits, la direction de propagation de l'énergie des ondes acoustiques est colinéaire ou quasi colinéaire avec la direction de l'onde optique d'entrée dans leurs zones d'interaction. Par ailleurs dans ces exemples, pour contrôler les deux polarisations de l'onde optique, chacun des faisceaux acoustiques est excité par deux séries de fréquence, dans deux plages de 1,3 MHz situées de part et d'autre d'une fréquence moyenne de 27 MHz, l'une de ces séries étant destinée à assurer le contrôle de la composante H tandis que l'autre sert au contrôle V de la polarisation. Comme ceci apparaît sur la figure 7, l'intervalle de 120 kHz entre deux fréquences pures est de trois fois la résolution en fréquence de 40 kHz du dispositif. D'un canal acoustique au suivant, les deux séries de fréquence sont décalées d'une demi fois la résolution du dispositif individuel soit, dans cet exemple, de 20 kHz. Il apparaît clairement que le spectre résultant de la superposition des séries de fréquence des six canaux acoustiques est un spectre plat couvrant de manière uniforme toutes les longueurs d'ondes optiques de la bande spectrale considérée. Le faisceau optique utile résultant de cette mise en forme consiste en le faisceau direct transmis, non diffracté, par le ou les milieux élasto-optiques. L'entrée et la sortie du dispositif précédemment décrit pourront consister en des faisceaux collimatés issus de fibres optiques dont les axes de collimation pourront être confondus ou non. REVENDICATIONS 1. Dispositif acousto-optique programmable dans lequel une onde optique d'entrée de polarisation inconnue interagit successivement avec plusieurs faisceaux acoustiques distincts (FI à F6) générés, dans un ou plusieurs milieux élasto-optiques biréfringents, au moyen de transducteurs piézo-électriques (T ; à Te), caractérisé en ce que le dispositif comporte des circuits de génération de fréquences discrètes d'amplitudes programmables appliquées aux transducteurs (T à T6), et fournissant une onde optique de sortie portant une modulation en amplitude de son spectre de fréquence qui est une fonction à la fois de la modulation de l'onde optique d'entrée et de la modulation des ondes acoustiques. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence entre deux fréquences distinctes voisines appliquées à un même transducteur (TI à T6) est supérieure ou égale à trois fois la résolution en fréquence du dispositif. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'onde optique d'entrée interagit successivement avec au moins six faisceaux acoustiques (FI à F6) dont les transducteurs (TI à T6) sont attaqués chacun par des séries de fréquence, décalées les unes par rapport aux autres par un incrément inférieur ou égal à la moitié de résolution en fréquence du dispositif. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que tous les faisceaux acoustiques sont générés parallèlement à une direction donnée, dans un seul milieu élasto-optique au moyen d'un transducteur (TI à T6) portant une pluralité d'électrodes parallèles, le système comportant les composants optiques adéquats pour faire traverser successivement les faisceaux acoustiques par l'onde optique. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les faisceaux acoustiques (FI à F6) générés parallèlement à une direction donnée, sont répartis entre plusieurs milieux élasto-optiques identiques. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la modulation du spectre de fréquences des ondes acoustiques est programmée de manière à compenser les distorsions d'amplitude ou à modifier la forme du spectre de fréquence des différents canaux de transmission des systèmes de communications optiques multiplexés optiques en longueur d'onde. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le faisceau optique de sortie utile portant le résultat de mise en forme ou de l'égalisation est le faisceau direct transmis non diffracté, par le ou les milieux élasto-optiques. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit adaptatif comprenant une mesure du spectre optique (analyseur 5) à la sortie du dispositif ou une mesure de la réponse des canaux de transmission (analyseur 7) et un circuit de contreréaction agissant sur le circuit de programmation (6,8) du dispositif afin d'égaliser ou d'optimiser l'énergie optique dans tous canaux. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une partie du spectre de raies de la modulation des ondes acoustiques sert à la mise en forme ou à l'égalisation de la composante de la polarisation de l'onde optique incidente projetée sur l'axe rapide des milieux biréfringents et, en ce qu'une autre partie distincte du spectre de raies de la modulation des ondes acoustiques sert à la mise en forme ou à l'égalisation de la composante de l'onde optique incidente projetée sur l'axe lent des milieux biréfringents. 10. Dispositif selon la revendication 1, 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. 11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction de propagation de l'énergie des ondes acoustiques est colinéaire ou quasi-colinéaire avec la direction de propagation de l'onde optique d'entrée dans leur zone d'interaction. 12. Dispositif selon la revendication 1, 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 750 eut 850. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 7, caractérisé en ce que la différence des temps de trajet entre la composante H de la polarisation de l'onde optique incidente projetée sur les axes rapides et la composante V projetée sur les axes lents des milieux biréfringents élastooptiques est compensée par le parcours de l'onde optique dans un matériau de biréfringence opposée à celle du ou des milieux élasto-optiques. 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 7, caractérisé en ce que la différence d'angle de propagation de l'énergie optique pour la composante H et la composante V de l'onde optique incidente dans les milieux biréfringents acousto-optiques est compensée, lors de deux interactions successives par une inversion du sens de l'axe optique ou par une inversion du sens de la propagation acoustique par rapport à l'axe de propagation optique. 15. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 7, caractérisé en ce que la différence d'angle de propagation de l'énergie optique pour la composante H et la composante V de l'onde optique incidente dans le cristal de compensation de la dispersion de polarisation est compensée par la réalisation de ce cristal en deux parties (CAl. CA2) géométriquement identiques dont les axes optiques sont inversés.