Brevet FR2846817A1 — publié le 20040507

I Générateur d'un signal électrique à multiples composantes fréquentielles La présente invention concerne un générateur d'un signal 5 électrique à multiples composantes fréquentielles, selon des lois de phase et d'amplitude déterminées. Elle est applicable à la génération de signaux électriques *de formes d'onde arbitraire et permet notamment, dans le domaine des applications radar, la simulation de cibles ou la reconnaissance par corrélation des formes d'onde. Les méthodes actuelles de génération de formes d'onde radar sont fondées sur des techniques numériques classiques, qui consistent à échantillonner et traiter le signal de façon à générer la forme d'onde souhaitée. Cependant, compte tenu de la complexité de la forme d'onde émise par les radars, ainsi que de la dynamique nécessaire, ces techniques 15 demandent un nombre de points d'échantillonnage trop élevé pour les calculateurs actuels; pour une impulsion de longueur typique 1 à 10 microsecondes et contenant un signal hyperfréquence autour de 10GHZ, plus de 2.105 points d'échantillonnage, chacun codé sur 10 à 12 bits, sont nécessaires, soit un débit d'environ un térabit par seconde. Or, les 20 technologies numériques actuelles ne permettent pas de tels débits. La demande de brevet FR 2 772 938 au nom de la déposante a décrit la réalisation d'un générateur de signal électrique basé sur l'utilisation de composants optoélectroniques (lasers, modulateurs, photodiodes). La déposante a montré comment ces composants, qui permettent la 25 transmission jusqu'à 40 GHz de signaux de grande dynamique (30 à 40 dB), peuvent être utilisés pour la réalisation de formes d'onde arbitraires. Cependant, le générateur décrit s'applique à la génération d'un signal électrique mono fréquence. La présente invention décrit un générateur de signal électrique à 30 composantes fréquentielles multiples permettant d'accomplir de telles fonctions. Plus précisément, l'invention propose un générateur d'un signal électrique (s(t)) à multiples composantes fréquentielles fk, de fréquence centrale f0 donnée, comprenant - un générateur d'un premier faisceau optique bifréquence (Fo) avec une première composante optique (F1,o) de pulsation co et une seconde composante optique (F2,0) de pulsation co+2nfo présentant un décalage en fréquence avec la première composante égal à ladite fréquence centrale fo, - un modulateur optoélectronique de phase et d'amplitude, multicanal, destiné à recevoir sur chaque canal un faisceau optique 5 bifréquence (Fk) et permettant le contrôle de l'amplitude et du déphasage relatif entre les composantes (F1, k, F2,k) de chacun des faisceaux, - un photodétecteur recevant l'ensemble des faisceaux issus du dispositif modulateur multicanal, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de 10 génération à partir du premier faisceau optique bifréquence (Fo) de N faisceaux bifréquence (Fk), N>1, présentant chacun deux composantes (Flk, F2,k) avec un décalage en fréquence fk égal à une composante fréquentielle du signal à générer, lesdits N faisceaux étant envoyés vers des canaux indépendants du dispositif modulateur multicanal, l'amplitude et le 15 déphasage relatif entre les composantes (F1,k, F2,k) de chacun des faisceaux étant contrôlés en fonction des lois de phase et d'amplitude du signal (s(t)) à générer. clairement 20 annexées 25 D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront plus à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures qui représentent: - la figure 1, le schéma d'un générateur d'un signal électrique selon une variante de réalisation de l'invention; - la figure 2, un premier exemple de réalisation d'un dispositif de génération des N faisceaux bifréquence du générateur selon l'invention; - les figures 3A et 3B, respectivement un second exemple de réalisation du dispositif de génération des N faisceaux bifréquence à base d'un cristal électro-optique et le diagramme présentant l'allure de la tension appliquée en fonction du temps; - la figure 4, le dispositif décrit figure 3A montrant le positionnement des électrodes sur le cristal électro-optique; - la figure 5, un troisième exemple de réalisation du dispositif de génération des N faisceaux bifréquence permettant de générer un grand nombre de faisceaux parallèles. Sur ces figures, les éléments homologues sont repérés par des références identiques. En se reportant à la figure 1, on décrit le schéma d'un générateur d'un signal électrique s(t) selon une variante de réalisation de l'invention. Le 5 signal électrique s(t) que l'on veut générer présente une fréquence centrale f0, typiquement 10 GHz, et des composantes fréquentielles fk qui sont par exemple des fréquences décalées de la fréquence centrale f0 d'un pas fD. Le contenu spectral du signal électrique que l'on veut générer comprend alors 2N-1 composantes fréquentielles fk (N>1) avec fk = fo + kfD o k est un entier o10 compris entre 0 et N-1. On cherche à générer un signal avec la meilleure résolution fréquentielle possible. Typiquement, la fréquence fD est une basse fréquence de l'ordre du kiloherz. Selon l'invention, et l'en se référant à la figure 1, le générateur de signal électrique s(t) comprend: - un générateur L d'un premier faisceau optique bifréquence F0 de pulsations o et co+2itfo, - un dispositif GEN de génération à partir du premier faisceau bifréquence Fo de N faisceaux bifréquence Fk de pulsations co et ò+2sfk o fk est une composante fréquentielle du signal à générer, par exemple fk = f0 + 20 kfD, - un dispositif modulateur de phase et d'amplitude multicanal MOD sur lequel sont envoyés les N faisceaux bifréquence issus du dispositif de génération GEN et permettant le contrôle de l'amplitude et du déphasage relatif entre les composantes de chacun des faisceaux bifréquences, en 25 fonction des lois de phase et d'amplitude du signal électrique à générer, - un photodétecteur PD recevant l'ensemble des faisceaux issus du dispositif modulateur multicanal et délivrant le signal électrique s(t) . Selon l'exemple particulier de la figure 1, le générateur du premier faisceau bifréquence F0 est par exemple une source laser bi-fréquence de 30 pulsation (w;o+27cfo) o le décalage fréquentiel est la fréquence centrale f0 du signal électrique. Une telle source est décrite dans l'article de M. Alouini et al.("Offset Phase Locking of Er:Yb:Glass Laser Eigenstates for RF Photonics Applications", IEEE Photonics Technology letters, vol. 13, n . 4, april 2001). Le décalage fréquentiel peut également être obtenu au moyen d'un laser 35 émettant un faisceau optique de pulsation o et d'un dispositif de translation de fréquence, qui, commandé par un signal électrique de fréquence f0, permet de décaler en fréquence un signal optique d'entrée; cette configuration est décrite dans la demande de brevet au nom de la déposante citée ci-dessus. Ces sources permettent de générer un faisceau bifréquence 5 bipolarisé, c'est à dire dont les deux composantes ont des polarisations croisées. Comme on le verra par la suite, cela présente l'avantage de pouvoir séparer facilement les composantes et d'avoir des trajets optiques similaires pour les deux composantes. Cependant, il est également possible d'envisager pour le générateur du faisceau bifréquence Fo une alternative 10 consistant par exemple à la mise en oeuvre de deux lasers séparés bloqués en fréquence. La figure 1 décrit un premier mode de réalisation du dispositif GEN de génération des N faisceaux bifréquence Fk. Il comprend des moyens optiques de séparation S, des deux composantes du faisceau bifréquence Fo 15 de pulsations oe et o+27cfo, notées respectivement F1,0 et F2,0. Il comprend également un module de génération DHRF, à partir d'un faisceau d'entrée correspondant à la seconde composante F2,0 de pulsation co+27nfo, de N faisceaux optiques parallèles F2,k de pulsations t"+2n(fo+kfD), o k est un nombre entier entre 0 et N-1 et fD la basse fréquence donnée, ainsi que des 20 moyens de combinaison de la première composante de pulsation (o avec les N faisceaux de pulsations co+27z(fo+kfD) pour délivrer N faisceaux bifréquence Fk parallèles. Un exemple de module DHRF est décrit par la suite. Dans cet exemple, les composantes F1,o et F2,0 présentant des polarisations croisées, leur séparation peut être obtenue par un dispositif 25 séparateur de polarisation S1 délivrant ainsi deux faisceaux monofréquence et monopolarisation. De la même façon, la combinaison des faisceaux peut être obtenu par un dispositif S2 similaire. Un système optique afocal AFO sur la voie de la composante F1,0 comportant par exemple deux lentilles L1, L2 permet d'étendre spatialement le faisceau optique de pulsation (O en vue 30 d'être recombiné avec l'ensemble des faisceaux optiques F2,k générés par le module. de génération DHRF. Selon l'exemple de la figure 1, le modulateur optoélectronique multicanal MOD comprend un premier modulateur spatial SLM1 fonctionnant en biréfringence contrôlée électriquement, recevant sur des canaux 35 indépendants les faisceaux bifréquence Fk afin de contrôler le déphasage relatif entre les composantes de chacun des faisceaux, un polariseur P orientant les polarisations des deux composantes de polarisations croisées et un second modulateur spatial d'amplitude SLM2 recevant sur des canaux indépendants les faisceaux bifréquences bipolarisés afin de contrôler 5 l'amplitude de chacun desdits faisceaux. Les modulateurs SLM1 et SLM2 comprennent un nombre de pixels qui doit être supérieur au nombre de faisceaux bifréquences générés par le dispositif de génération GEN. Ce mode de réalisation qui nécessite des faisceaux bifréquence dont les composantes ont des polarisations croisées, présente l'avantage d'avoir les 10 mêmes trajets optiques pour les différentes composantes et de maîtriser ainsi l'encombrement du générateur de signal électrique. Par ailleurs, les modulateurs spatiaux de lumière issus de la technologie des écrans à cristaux liquides présentent des résolutions importantes, typiquement de l'ordre de 600x600 pixels, et constituent donc des composants extrêmement 15 intéressants pour cette application. Cependant des fonctions équivalentes pourraient être obtenues avec d'autres moyens, par exemple en générant des retards optiques entre les différentes composantes des faisceaux bifréquence par contrôle des chemins optiques traversés par les deux composantes. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire que les faisceaux 20 bifréquences soient bipolarisés. Par exemple, le modulateur SLM1 est une cellule à cristal liquide nématique fonctionnant en biréfringence contrôlée électriquement (alignement parallèle des molécules). Ainsi, le modulateur SLM1 permet de définir par exemple p x p canaux indépendants, sur lesquels il est possible 25 de contrôler les déphasages relatifs 4k(Vk) entre les N composantes (co;fo+27c(fo+kfD)), k=O à N-1. Le modulateur spatial SLM2, par exemple de p x p pixels, est par exemple une cellule à cristal liquide nématique en hélice fonctionnant en tant que modulateur d'amplitude. Il permet ainsi de contrôler indépendamment sur chacun des canaux définis par les p x p pixels la 30 puissance optique transmise. La transmission de chaque pixel vaut dans ce cas ak, avec ak inférieur à 1. L'ensemble des faisceaux bifréquence, issus du modulateur optoélectronique multicanal MOD sont ensuite envoyés sur le photodétecteur PD, par exemple au moyen d'une lentille de focalisation FOC. Le photodétecteur PD est par exemple une photodiode rapide dont la bande passante contient f0. A la sortie du modulateur multicanal MOD, I'expression de la partie modulée du signal sur le canal i est de la forme: Si (t) Zak JEk [cos(2q générer, et de créer ainsi une forme d'onde arbitraire. si (t) =-cos(2#eot) Ekaki cos(22Tk.t PRF) x (cos k, + Cos k,/)] 2 k=O i F. --cos(2lo t), Ekaki sin(2,k t PRF) x (sin 0k,, + sin -ki) 2 L + -sin(2Tft) oEkak sin(2rk' t PRF) x (cosqki - osk,)] 1_ 2 k=O + - sin(2fot)l= E ak cos(2-k- t - PRF) x (sin, sinOk-, 2 k= snA) Les modulateurs SLM1 et SLM2 sont reconfigurables à chaque 20 instant, ce qui permet d'avoir un système reconfigurable en amplitude et en phase. L'emploi de ces modulateurs permet de contrôler de façon parallèle un grand nombre, et sur une grande dynamique, d'amplitudes et de phases des signaux électriques. La fréquence fo peut également être modifiée, ce qui fournit une souplesse d'utilisation au système. Un exemple de réalisation du module de génération DHRF des N faisceaux optiques parallèles F2,k de pulsations co+2-(fo+kfD) est représenté sur la figure 2. Il comprend deux lames parallèles LP1, LP2 séparées d'une distance d donnée, une première lame LP1 totalement réfléchissante et une seconde lame LP2 semi réfléchissante, entre lesquelles le faisceau d'entrée F2,0 subit des réflexions multiples, et des moyens de mise en mouvement de vibration de la première lame LP1 à une fréquence de vibration qui va 5 permettre d'engendrer un décalage Doppler égal à la basse fréquence fD sur les fréquences des faisceaux réfléchis par la lame LP1, afin de générer à travers la seconde lame semi-réfléchissante LP2 les N faisceaux parallèles F2,k de pulsations co+2n(f0+kfD). Ainsi la lame LP2 transmet une fraction du faisceau à chaque réflexion et un ensemble de N faisceaux parallèles est 10 issu de la lame semi- réfléchissante. Les moyens de mise en mouvement de vibration comprennent par exemple une cale piézoélectrique PZT fixée par exemple par collage sur la première lame LPj. Ce module DHRF est donc capable de délivrer N faisceaux optiques parallèles chacun décalé en fréquence d'un multiple entier k (k=0 à N) de la fréquence fD de la gamme du 15 kiloHertz et constitue ainsi un module de génération de faisceaux à haute résolution fréquentielle extrêmement intéressant pour la mise en oeuvre du générateur selon l'invention. Selon une variante, N lentilles collimatrices (non représentées sur la figure 1) peuvent être déposées en surface à la sortie de la lame semi20 réfléchissante LP2 de façon à donner N faisceaux parallèles collimatés en sortie. La figure 3A représente une variante de réalisation du dispositif de génération des N faisceaux bifréquence Fk. Selon cette variante, le dispositif GEN reçoit le faisceau Fo. Il est 25 bifréquence et bipolarisé. Il est conçu pour ne générer la haute résolution fréquentielle que sur le faisceau portant une des deux directions de polarisation au moyen d'un matériau électro-optique EO contenu entre deux lames LP1,LP2 toutes les deux fixes. Ce matériau électro-optique est par exemple un cristal de LiNbO3. Par application d'un champ électrique entre 30 les deux lames au moyen d'électrodes ELC positionnées sur les faces du cristal latérales par rapport aux faces supportant les lames LP1 et LP2, l'indice de réfraction du cristal est modifié suivant une des polarisations, ce qui engendre un déphasage du signal optique sur la longueur d'interaction du cristal. L'indice de réfraction vu par co est constant et égal à l'indice ordinaire 35 no, alors que celui vu par co+2irfo dépend de la tension Vk appliquée par l'intermédiaire de l'électrode ELC et vaut n(Vk). La fréquence fD est générée en faisant varier l'indice n(Vk) au cours du temps. La figure 3B représente la fonction Vk fonction du temps dans cet exemple. V2n est la tension permettant d'introduire une différence de marche de 2H entre les 5 composantes Fl,k et F2,k. Il s'agit de la différence de marche introduite sur le faisceau F2,k pendant une période de temps T correspondant au temps de propagation aller retour du faisceau dans le matériau électro-optique. Cette variante permet de s'affranchir des deux systèmes optiques de séparation S1 et de combinaison S2 des polarisations, ainsi que de la cale piézoélectrique 10 faisant vibrer la lame LP1. Dans cette variante, le dispositif DHRF est un composant compact. La figure 4 montre le dispositif décrit sur la figure 3A selon une autre vue. Le dispositif GEN comprend l'élément formé du matériau électrooptique compris entre deux lames LP1, LP2 fixes, parallèles, la première lame 15 réfléchissante LP1 et la seconde lame semi- réfléchissante LP2 entre lesquelles le faisceau bifréquence bipolarisé Fo subit des réflexions multiples, les faisceaux Fk émergeant de la lame semi-réfléchissante LP2. Il comprend en outre des moyens d'application d'un champ électrique entre les deux lames, ici les électrodes ELC positionnées sur deux faces opposées du 20 cristal latérales par rapport aux faces supportant les lames LP1 et LP2. La figure 5 montre une variante de réalisation du dispositif de génération de faisceaux bifréquence Fk. Selon cette variante, le dispositif GEN comprend un empilement d'éléments formés chacun d'un matériau électro-optique et de deux lames 25 LP1 (réfléchissante), LP2 (semi-réfléchissante), chacun des éléments étant alimenté électriquement de façon indépendante aux moyen d'électrodes ELC afin de produire des multiples continus de la fréquence basse fD. Ainsi dans cette variante, le dispositif de génération de faisceaux bifréquence permet la réalisation d'un très grand nombre de canaux, en ceci 30 qu'il comporte M cristaux électro-optiques empilés les uns sur les autres, chacun alimenté électriquement de façon indépendante pour pouvoir produire des multiples continus de la fréquence fD. REVENDICATIONS 1- Générateur d'un signal électrique (s(t)) à multiples composantes fréquentielles fk, de fréquence centrale f0 donnée, comprenant - un générateur (L) d'un premier faisceau optique bifréquence (Fo) avec une première composante optique (F1,o) de pulsation co et une seconde composante optique (F2,0) de pulsation co+2,f0 présentant un décalage en fréquence avec la première composante égal à ladite fréquence centrale f0, - un modulateur optoélectronique (MOD) de phase et d'amplitude, 10 multicanal, destiné à recevoir sur chaque canal un faisceau optique bifréquence (Fk) et permettant le contrôle de l'amplitude et du déphasage relatif entre les composantes (Flk, F2,k) de chacun des faisceaux, - un photodétecteur (PD) recevant l'ensemble des faisceaux issus du dispositif modulateur multicanal (MOD), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de génération (GEN) à partir du premier faisceau optique bifréquence (Fo) de N faisceaux bifréquence (Fk), N>1, présentant chacun deux composantes (Fik, F2,k) avec un décalage en fréquence fk égal à une composante fréquentielle du signal à générer, lesdits N faisceaux étant envoyés vers des canaux 20 indépendants du dispositif modulateur multicanal, I'amplitude et le déphasage relatif entre les composantes (F1, k, F2,k) de chacun des faisceaux étant contrôlés en fonction des lois de phase et d'amplitude du signal (s(t)) à générer. 2- Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit 25 décalage en fréquence fk est un multiple d'une basse fréquence fD donnée. 3- Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite basse fréquence fD est de l'ordre du kilohertz. 4- Générateur selon l'une des revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif (GEN) de génération des N faisceaux bifréquence 30 comprend - des moyens de séparation (S1) des deux composantes (F1,0, F2,0) du premier faisceau bifréquence (Fo), - un module de génération (DHRF), à partir d'un faisceau d'entrée correspondant à ladite seconde composante (F2,0) de 35 pulsation o+27f0, de N faisceaux optiques parallèles (F2,k) de pulsations c0+27t(fo+kfD), o k est un nombre entier entre 0 et N-1 et fD une basse fréquence donnée, - des moyens de combinaison (S2) de la première composante (F1,0) de pulsation o avec lesdits N faisceaux (F2,k) de 5 pulsations co+27(fo+kfD) pour délivrer lesdits N faisceaux bifréquence. - Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce ledit dispositif de génération (DHRF) comprend deux lames parallèles (LP1, LP2) séparées d'une distance (d) donnée, une première lame (LP1) totalement O10 réfléchissante et une seconde lame (LP2) semi réfléchissante, entre lesquelles ledit faisceau d'entrée (F2,0) subit des réflexions multiples, et des moyens de mise en mouvement de vibration de ladite première lame (LP1) à une fréquence de vibration permettant d'engendrer un décalage Doppler égal à ladite basse fréquence fD, afin de générer à travers la seconde lame semi15 réfléchissante (LP2) lesdits N faisceaux parallèles de pulsations co+2n(fo+kfD). 6- Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de mise en mouvement de vibration comprennent une cale piézoélectrique (PZT) fixée sur ladite première lame (LP,). 7- Générateur selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en 20 ce que le premier faisceau optique bifréquence (Fo) étant bipolarisé, les deux composantes (F1,0, F2,0) de polarisations croisées, les moyens de séparation (Si) et de combinaison (S2) sont formés de dispositifs séparateurs de polarisation. 8- Générateur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé 25 en ce que le premier faisceau optique bifréquence (Fo) étant bipolarisé, les deux composantes de polarisations croisées, le dispositif de génération des N faisceaux bifréquence comprend un élément formé d'un matériau électrooptique (EO) compris entre deux lames (LP1, LP2) fixes, parallèles, espacées d'une distance donnée (d), une première lame réfléchissante (LP1) et une 30 seconde lame semi-réfléchissante (LP2) entre lesquelles ledit faisceau bifréquence bipolarisé subit des réflexions multiples et des moyens d'application (ELC) d'un champ électrique entre les deux lames, le matériau électro-optique étant agencé pour permettre d'introduire à chaque réflexion un déphasage sur la seule composante (F2,0) de pulsation o)+272fo, afin de générer à travers la seconde lame semi-réfléchissante (LP2) lesdits N faisceaux bifréquence (Fk). 9- Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit matériau électro-optique est un cristal de Niobate de Lithium dont les axes 5 sont orientés de telle sorte que l'indice de réfraction du cristal n'est modifié que selon la direction correspondant à la polarisation de ladite composante (F2,O0) de pulsation co+2cf0. - Générateur selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le dispositif (GEN) de génération des N faisceaux bifréquence (Fk) 10 comprend un empilement d'éléments (E1, E2, E3, E4) formés chacun d'un matériau électro-optique (EO) et de deux lames (LP1, LP2), chacun des éléments étant alimenté électriquement de façon indépendante afin de produire des multiples continus de ladite fréquence basse fD. 11- Générateur selon l'une des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce que lesdits N faisceaux bifréquence étant bipolarisés, de polarisations linéaires croisées, le modulateur optoélectronique multicanal (MOD) comprend un premier modulateur spatial (SLM1) fonctionnant en biréfringence contrôlée électriquement, recevant sur des canaux indépendants lesdits faisceaux bifréquence (Fk) afin de contrôler le 20 déphasage relatif entre les composantes de chacun desdits faisceaux, un polariseur (P) orientant les polarisations des deux composantes et un second modulateur spatial d'amplitude (SLM2) recevant sur des canaux indépendants les faisceaux bifréquences polarisés afin de contrôler l'amplitude de chacun desdits faisceaux.