Brevet FR2867000A1 — publié le 20050902

DISPOSITIF DE REDUCTION DYNAMIQUE DE LA PORTEUSE OPTIQUE D'UN SIGNAL MODULE EN HYPERFREQUENCE La présente invention se rapporte à un dispositif de réduction dynamique de la porteuse optique d'un signal modulé en hyperfréquence. L'accroissement des performances des liaisons dites RF (Radio fréquences) sur porteuse optique nécessite la mise en oeuvre de techniques particulières afin de satisfaire les exigences, en termes de dynamique et de linéarité, liées à la distribution, au rayonnement et à la détection de signaux RF (signaux compris, par exemple, entre 1 et 60 GHz). La modulation d'une onde optique porteuse injectée dans une extrémité d'une liaison optique à fibre optique est généralement réalisée à l'aide d'un modulateur de type Mach-Zehnder. Dans la mesure où le signal en sortie de ce modulateur est très faiblement modulé, on est conduit à réaliser une atténuation de la porteuse optique afin d'éviter la saturation par cette dernière de la photodiode de détection disposée à l'autre extrémité de la liaison optique. On obtient ainsi un signal, qui peut être de faible puissance, mais qui est alors modulé avec un taux de modulation potentiellement proche de 1. Celui-ci peut ensuite, après propagation dans la fibre monomode de liaison, être amplifié dans un amplificateur à fibre dopée. Les dispositifs connus de réduction de la porteuse optique sont soit du type interférométrique, soit du type à effet Brillouin. Dans le premier cas, les dispositifs connus ne sont pas adaptatifs en fonction des dérives éventuelles de fréquence et de puissance de la porteuse optique, et dans le second, ils nécessitent une puissance d'entrée élevée, et donc la plupart du temps, un dispositif amplificateur d'entrée. La présente invention a pour objet un dispositif qui permette de réaliser une réduction efficace de la porteuse optique, sans atténuer les signaux modulants, qui soit adaptatif en fonction des dérives éventuelles de fréquence et de puissance de la porteuse optique et qui se contente d'une puissance d'entrée faible. Le dispositif conforme à l'invention comporte une source laser suivie d'un modulateur d'intensité, un dispositif de prélèvement de signal disposé à la sortie du modulateur, un dispositif optique photoréfractif de forme allongée, dont une extrémité est reliée à une sortie du dispositif de prélèvement et dont l'autre extrémité est reliée à la sortie de prélèvement du dispositif de prélèvement. De façon avantageuse, le dispositif optique photoréfractif est un barreau de cristal photoréfractif adapté à la longueur d'onde de la source. Selon un mode de réalisation de l'invention, la polarisation des faisceaux optiques envoyés au dispositif photoréfractif est parallèle à l'un des axes optiques de ce dispositif. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la polarisation des faisceaux optiques envoyés au dispositif photoréfractif est à 45 des axes optiques de ce dispositif, et celui-ci est suivi d'un polariseur. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la o description détaillée de deux modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: É la figure 1 est un bloc-diagramme simplifié d'un dispositif de réduction de porteuse optique conforme à l'invention, É la figure 2 est un diagramme simplifié illustrant l'effet de réduction de porteuse produit par le dispositif conforme à l'invention, É la figure 3 est un diagramme simplifié des différents trajets optiques dans un barreau de cristal utilisé dans le dispositif de l'invention, É la figure 4 est une vue en perspective du barreau de cristal de la figure 3 avec indication de ses axes électro-optiques, É la figure 5 est un diagramme illustrant l'autodiffraction par le réseau photoinduit dans le barreau de cristal du dispositif de l'invention, dans le cas de la diffraction anisotrope, É la figure 6 est un diagramme montrant les trajets optiques dans le barreau de cristal, pour le mode de réalisation relatif à la figure 5, et É la figure 7 est une vue en perspective du barreau de cristal de la figure 6 avec indication de ses axes électro-optiques, Le dispositif de la présente invention utilise les propriétés bien connues en soi de filtrage du mélange de deux ondes dans un cristal photoréfractif pour réaliser une réduction efficace de la porteuse optique, dans une bande spectrale optique étroite (par exemple inférieure à 3 GHz, et pouvant même être inférieure à 100 MHz). La technique proposée par l'invention fait appel à un matériau fonctionnant en temps réel et qui s'adapte avec une constante de temps courte ( par exemple de l'ordre de quelques millisecondes) aux dérives éventuelles de fréquence de la porteuse optique. Le schéma de principe du dispositif selon l'invention est illustré sur la figure 1. Ce dispositif comporte les principaux composants suivants: une source laser continue 1, par exemple une diode laser de type semiconducteur DFB, émettant à 1,5 prn, suivie d'un modulateur d'intensité 2, par exemple de type Mach-Zehnder en niobate de lithium, relié par une fibre 3 monomode à maintien de polarisation à une extrémité d'un dispositif optique photoréfractif 4, qui est avantageusement un barreau de cristal o photoréfractif adapté à la longueur d'onde de la source 1. Ce barreau (en GaAs, CdTe, ...) fonctionne en mélange à deux ondes et présente un coefficient de gain F.L (F étant le gain d'énergie optique dû au mécanisme de couplage d'onde dans le barreau, et L la longueur d'interaction des ondes dans ce barreau) élevé (supérieur à 1). Un dispositif 5 de prélèvement de faisceau, par exemple un coupleur optique, sont interposés entre la source 1 et le modulateur 2. La sortie de prélèvement de faisceau du dispositif 5 est reliée par une fibre optique 6 à l'autre extrémité du barreau 4. Cette autre extrémité du barreau 4 est par ailleurs reliée par une fibre optique amplificatrice 7 à un dispositif optoélectronique de conversion 8, tel qu'une photodiode. En variante de l'invention, les fibres optiques 3 et 6 peuvent être remplacées par des moyens optiques de guidage de faisceaux dans l'air (à miroirs par exemple). On a également représenté sur la figure 1 un polariseur 9, mais celui-ci n'est utilisé que dans le deuxième mode de réalisation décrit plus loin en référence aux figures 5 à 7. L'invention consiste à réaliser dans le cristal 4 les fonctions suivantes: l'atténuation contrôlée (ou même la suppression) de la porteuse, le filtrage adaptatif passe-bande de la porteuse du signal modulé, la largeur du filtre étant très largement inférieure à la fréquence de modulation de la porteuse optique, le réseau de Bragg formé dans le cristal agissant en filtre dans une faible bande autour de la porteuse. Les fonctions recherchées sont obtenues par interférence de 35 deux faisceaux S et R dans le barreau de cristal photoréfractif de longueur 2867000 4 d'interaction L. Les deux ondes, de même fréquence et de même polarisation, interférent dans le cristal 4. Le faisceau S, qui porte le signal de modulation RF à la fréquence. Q/2n est, en fait, constitué de trois composantes: S(coo), la porteuse, et les bandes latérales S(wo + S2) et S(wo - 0). Les bandes latérales, en interférant avec R (wo), créent des réseaux mobiles, du fait des différences de fréquences entre ces ondes. Ces réseaux se déplacent dans le cristal 4 respectivement aux vitesses +v et v. Pour une période des franges d'interférence A, la vitesse v vaut v = A.52/ 2n. Soit 'r le temps de réponse du matériau photoréfractif, c'est-à- dire le temps d'inscription du réseau d'interférences. Si l'on a v.-c > A, alors ces réseaux (formés par R (wo) et S(wo+S2) d'une part et R (wo) et S(wo - 2) d'autre part) ne sont pas inscrits dans le barreau de cristal, qui joue ainsi le rôle d'un dispositif passe-bande autour de la porteuse. Les phénomènes de couplage d'ondes dans le cristal non linéaire permettent de transférer l'énergie de la composante à la pulsation wo du faisceau S vers le faisceau R. Il en résulte une amplification de ce dernier ainsi qu'une déplétion de la composante porteuse de l'onde signal. Comme précisé ci-dessus, le gain dû au phénomène de couplage d'onde dans le cristal photoréfractif est noté I'. Les bandes latérales du signal modulant, se situant à l'extérieur de la bande passante du réseau de Bragg photoinduit de longueur L, sont directement transmises sans diffraction. Il en résulte que le faisceau S transmis à la fibre 7 possède un taux de modulation qui peut être proche de l'unité, à la fréquence de modulation S2/ 27r. Analyse quantitative du phénomène: On appelle fi le rapport entre les intensités des faisceaux R et S à la pulsation wo (à laquelle correspondent la fréquence vo et la longueur d'onde Io), à savoir IRa et lso. D'autre part, on appelle no l'indice du cristal à la pulsation coo, et c la célérité de la lumière dans le vide et ls l'intensité totale du faisceau d'entrée du barreau de cristal. On a alors: couplage d'onde et transfert d'énergie photoréfractif: I I (R +1).expFL = ou' = IRO 1 so fi+exprL Iso bande passante spectrale Av du filtre de Bragg photoinduit dans le barreau de cristal par le phénomène de couplage d'ondes: 2867000 5 1 Xo c Av = vo. . _ L 2no 2.L.no Dans un exemple de réalisation, on avait les valeurs suivantes: cristal photoréfractif de longueur L = 4cm coefficient de couplage: F = 2 cm-1 On notera que le coefficient d'absorption du cristal par unité de longueur (a = 0,1 cm-'' par exemple), qui intervient dans l'expression de Is, a été omis, car son influence est négligeable ici. - rapport des faisceaux: R = 1 Is =10-3 et iv = 2,5 GHz Iso Ces ordres de grandeur correspondent à l'application atténuation de porteuse envisagée: la porteuse à la fréquence wo/2n est atténuée d'au moins 20 à 30 à dB (voir le schéma de principe de la figure 2, qui n'est pas à l'échelle en ce qui concerne les modules des vecteurs représentés). tout signal RF dont la fréquence 12/ 27z est supérieure à 3 GHz (pour l'exemple précité), sera transmis par le cristal avec un taux de modulation élevé, proche de 1. En effet, compte tenu de la sélectivité en fréquence du réseau de Bragg photoinduit dans le cristal, tout se passe comme si les bandes latérales S(wo + 1-2) et S(wo -1-2) ne voyaient pas ce réseau. L'amplificateur placé sur le trajet du faisceau modulé issu du cristal photoréfractif, par exemple réalisé à l'aide d'une fibre optique dopée à l'Erbium (7), permet de rétablir un niveau de puissance moyenne égal à celui mesuré en sortie du modulateur Mach-Zehnder 2. Une telle amplification est avantageuse, en effet la déplétion de la porteuse permet une augmentation du taux de modulation mais se traduit également par une diminution de la puissance moyenne détectée par la photodiode 8. Dans la configuration des figures 2 à 4, la variation d'indice photoinduite dans le cristal non-linéaire est relue avec une polarisation des faisceaux parallèle à l'un des axes électro-optiques de ce cristal, comme représenté en figures 3 et 4. C'est la configuration classique qui induit les effets de couplage d'onde utilisés pour la déplétion de l'onde porteuse. Une autre configuration électro-optique utilisable est celle schématisée sur les figures 5 à 7. Dans ce cas, l'onde de lecture est à 45 des axes propres du cristal. Dans ces conditions, il est connu que les effets de couplage d'onde n'ont pas lieu puisque l'onde auto-diffractée sur le réseau photoinduit a une polarisation tournée de 90 par rapport à l'onde incidente. Tout se passe comme si le cristal agissait comme une lame demionde. On peut exploiter cette propriété dans le dispositif d'affaiblissement de porteuse schématisé sur les figures 5 à 7: Comme dans le cas du mode de réalisation des figures 2 à 4, la o longueur L du barreau de cristal photoréfractif est choisie de manière que le réseau de Bragg photoinduit dans ce dernier assure la fonction de filtrage. Dans ce cas, les bandes latérales S(wo + 0) et S(wo - 0) sont transmises sans être affectées par le réseau. Le faisceau optique transmis par le cristal est constitué - du faisceau optique modulé transmis S, de polarisation verticale (perpendiculaire au plan du dessin) - du faisceau D diffracté, à partir du faisceau R(wo) (arrivant également par la fibre 6), dans la direction du faisceau signal (modulé). Le faisceau D a une polarisation tournée de 90 par rapport à celle du faisceau R. De plus, compte tenu de la géométrie de l'interaction et de la nature du réseau photoinduit dans le cristal photoréfractif, ce faisceau D est déphasé de n par rapport au signal transmis. Dans ces conditions, un polariseur 9 (voir figure 1) dont l'axe fait un angle 0 avec la polarisation horizontale (c'est-à-dire celle de D- voir figure 5) reçoit la projection des deux composantes, à la même pulsation optique wo, à savoir S(wo) et D(wo), déphasées l'une par rapport à l'autre de t. L'intensité résultante de la porteuse (c'est-à-dire le module carré de la somme S+D) est donc fortement réduite, voire annulée par le choix de l'angle O. De façon typique, la valeur de l'angle 0 est de quelques degrés à plus de 10 degrés. Les bandes latérales de modulation, qui ne sont pas affectées par le réseau photoinduit, sont transmises et c'est leur projection sur l'axe P qui contribuera au photocourant délivré par le photodétecteur 8. Il résulte de ce phénomène de diffraction anisotrope un gain sur le taux de modulation qui peut être équivalent à celui obtenu via l'utilisation des phénomènes de couplage d'ondes (figures 2 à 4). A taux de modulation égal sur le faisceau signal, en sortie du cristal photoréfractif, cette seconde configuration peut se satisfaire d'une modulation d'indice plus faible. En d'autres termes, il est possible d'utiliser un cristal dont l'efficacité de diffraction photoréfractive soit réduite par rapport à la configuration couplage d'ondes . Selon un exemple de réalisation de cette seconde configuration, on avait: fibres de guidage (3 et 6) et fibre amplificatrice (7) analogues à celles de la figure 1, cristal photoréfractif adapté à une longueur d'onde dans le proche infrarouge (par ex. 1,5 {gym) : GaAs, CdTe, Sn2P2S6 fonctionnant à champ électrique extérieur appliqué nul, temps de réponse du cristal Les avantages présentés par le dispositif de l'invention sont les 25 suivants: c'est un dispositif compact et dynamique. II s'adapte, en temps réel, aux dérives du laser (puissance, longueur d'onde, ...) ainsi qu'aux perturbations des milieux de transmission (fibres optiques, composants en optique intégrée, ...), un seul cristal photoréfractif réalise les deux fonctions recherchées, c'est-à-dire la réduction (voire l'extinction) de la porteuse et le filtrage passe-bande (de largeur Av) qui permet de ne pas affecter les bandes latérales de modulation lors de la traversée du réseau de Bragg photoinduit, le dispositif fonctionne, de façon optimale, pour des fréquences de modulation S2/27r >_Ovl2, soit typiquement dès lors que S2/27c>_1 à une fréquence de 2 GHz, avec les ordres de grandeur choisis. Ce dispositif est donc tout à fait compatible avec le domaine fréquentiel 2 60 GHz dans lequel on retrouve la plupart des systèmes RF. Par ailleurs, pour des fréquences de modulation inférieures à 2 GHz, la sélectivité fréquentielle du réseau photoinduit n'est pas suffisante pour empêcher la diffraction partielle des bandes latérales de modulation dans la direction de R. dans la configuration couplage d'ondes cet effet est rédhibitoire, car porteuse et bandes latérales sont atténuées de façon analogue. Par contre dans la configuration diffraction anisotrope , l'ajustement de l'angle 0 permet, même aux basses fréquences, de maintenir un écart exploitable entre atténuation de la porteuse et atténuation des bandes latérales. REVENDICATIONS 1. Dispositif de réduction dynamique de la porteuse optique d'un signal modulé en hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comporte une source laser (1) suivie d'un modulateur d'intensité (2), un dispositif de prélèvement de signal (5) disposé à la sortie du modulateur, un dispositif optique photoréfractif de forme allongée (4) , dont une extrémité est reliée à une sortie du dispositif de prélèvement et dont l'autre extrémité est reliée (6) à la sortie de prélèvement du dispositif de prélèvement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif optique photoréfractif est un barreau de cristal photoréfractif adapté à la longueur d'onde de la source. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la polarisation des faisceaux optiques envoyés au dispositif photoréfractif est parallèle à l'un des axes optiques de ce dispositif. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la polarisation des faisceaux optiques envoyés au dispositif photoréfractif est à 45 des axes optiques de ce dispositif, et celui-ci est suivi d'un polariseur (9).