Brevet FR2867620A1 — publié le 20050916

DISPOSITIF DE DECALAGE DE FREQUENCE DANS UN CHEMIN OPTIQUE A SOURCE LASER CONTINUE La présente invention se rapporte à un dispositif de décalage de fréquence dans un chemin optique à source laser à émission continue. Dans des dispositifs comportant une source laser à émission continue et une détection cohérente hétérodyne, il peut être nécessaire de déterminer une variation de fréquence (effet Doppler) se produisant sur une partie du trajet du faisceau laser et résultant d'un phénomène physique que l'on désire compenser ou mesurer. Ceci est en particulier le cas des Lidars servant à mesurer la vitesse et la direction du vent par rétrodiffusion du faisceau laser sur des aérosols portés par le vent. Cette variation de o fréquence est généralement déterminée par mélange du signal reçu avec un signal généré par un oscillateur local et affecté d'un décalage de fréquence qui est produit par un modulateur de type électro-optique ou acousto-optique. Un tel dispositif modulateur est cher, volumineux, peu discret, car il rayonne en haute fréquence (présence de raies harmoniques de la fréquence fondamentale du signal, susceptibles de perturber le traitement de signal effectué en aval, ce qui risque de limiter la précision de la mesure de vitesse et de rétrécir la fenêtre de mesure spectrale. La présente invention a pour objet un dispositif de décalage de fréquence dans un chemin optique à source laser à émission continue, dispositif qui soit le moins onéreux possible, peu encombrant, qui ne soit pas une source de rayonnements parasites, et qui puisse s'intégrer dans une architecture comportant des fibres optiques. Le dispositif conforme à l'invention comporte au moins un module de décalage en fréquence contenant un support de propagation optique dont on modifie la longueur de chemin optique en fonction du décalage de fréquence désiré. Le support de propagation optique peut être soit une fibre optique, soit un guide d'ondes optique, soit un cristal électro- optique. Dans le cas où le système dans lequel on fait varier la fréquence est un Lidar, l'évolution de la longueur du chemin optique du support de propagation optique est avantageusement linéaire, et elle est réalisée par évolution linéaire de la contrainte appliquée à la fibre optique ou au guide d'ondes ou de la tension appliquée au cristal électro-optique. De façon avantageuse, on branche en parallèle au moins deux modules de décalage de fréquence. leurs modulations triangulaires respectives étant identiques et décalées en phase, un commutateur étant branché aux sorties de ces modules et commandé pour recueillir alternativement le faisceau optique dont le décalage en fréquence est constant. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est un blocdiagramme simplifié d'un Lidar de l'art antérieur, du type cité en préambule, la figure 2 est un bloc-diagramme simplifié d'un Lidar comportant un circuit de décalage de fréquence conforme à l'invention, et la figure 3 est un bloc-diagramme simplifié d'un exemple d'un ensemble de deux modules de décalage de fréquence conforme à l'invention. La présente invention est décrite ci --dessous en référence à un Lidar, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à cette seule application, et qu'elle peut être mise en oeuvre dans divers domaines dans lesquels on a besoin de produire un décalage en fréquence sur des fréquences élevées telles que les fréquences supérieures à quelques Ghz. On a représenté sur le bloc-diagramme de la figure 1 une source laser 1 reliée à une entrée d'un coupleur 2 à maintien de polarisation. Une première sortie du coupleur 2, correspondant à la voie signal , est reliée à un modulateur acousto-optique 3, suivi d'un amplificateur 4. L'amplificateur 4 est relié à une première borne d'un coupleur 5 à séparation de polarisations. Une sortie du coupleur 5 est reliée à un système d'émission-réception de faisceaux Lidar, référencé 6 dans son ensemble. La deuxième sortie du coupleur 2 est reliée à une première entrée d'un coupleur à maintien de polarisation 7, dont l'autre entrée est reliée au coupleur 5. La sortie du coupleur 7 est reliée à une unité de mélange et de détection 8, suivie d'un circuit de filtrage 9 et de circuits 10 de traitement de signal. Dans le bloc-diagramme de la figure 2, les éléments similaires 35 à ceux de la figure 1 sont affectés des mêmes références numériques. La différence essentielle entre les systèmes des figures 1 et 2 est que le modulateur 3 de la figure 1 a été remplacé par un dispositif 11 à modules de décalage de fréquence. Les autres éléments du système de la figure 2 peuvent être les mêmes que ceux de la figure 1. Le dispositif 11 peut comporter un ou plusieurs modules élémentaires de décalage de fréquence. Chacun de ces modules élémentaires comporte un support de propagation optique tel qu'une fibre optique, un guide d'ondes optique ou un cristal électro-optique. On agit sur ce support de façon à en faire varier la longueur du trajet optique. Cette variation de longueur de trajet correspond à une variation d'indice de réfraction du support optique. Dans le cas où ce support est une fibre optique ou un guide d'ondes, cette variation peut être obtenue en imposant une contrainte mécanique au support optique. S'il s'agit d'un cristal électrooptique, la variation est obtenue en appliquant une tension électrique appropriée à ses électrodes. A ce propos, il est important de noter que le cristal électro-optique ne fonctionne alors pas en modulateur électro-optique classique, mais en dispositif provoquant un décalage, fixe ou variable, de la fréquence du faisceau laser qu'il reçoit. L'évolution de la contrainte mécanique ou de la tension électrique doit, dans le cas présent, être linéaire en fonction du temps. Cette évolution linéaire engendre un décalage Doppler constant, et par conséquent un décalage fixe de fréquence entre les voies signal et oscillateur local , ce qui permet la détection cohérente hétérodyne. Ce décalage Doppler est imposé à la voie signal dans laquelle est inséré le dispositif 11 (comme représenté en traits continus sur la figure 2), et/ou dans la voie oscillateur local (le deuxième dispositif à modules de décalage est alors référencé 11A et dessiné en traits interrompus sur la figure 2). Une variation de la longueur du chemin optique est engendrée lorsque la vitesse du faisceau traversant le dispositif 11 (et/ou 11A) varie. Cette vitesse varie de manière inversement proportionnelle à l'indice de réfraction du milieu traversé. Selon l'invention, on fait varier linéairement en fonction du temps la longueur du chemin optique dans le dispositif 11 (et/ou 11A), ce qui engendre un décalage Doppler constant Selon un aspect avantageux de l'invention, et comme 35 représenté en figure 3, on munit le dispositif 11 (et/ou 11A) de deux modules de décalage identiques 12, 13, branchés en parallèle, et suivis d'un commutateur 14. Il est bien entendu que le dispositif 11 (et/ou 11A) peut comporter plus de deux modules. Dans chacun des modules 12, 13, on applique une modulation triangulaire identique, la modulation dans l'un des deux modules étant décalée en phase, par exemple de ir, par rapport à celle de l'autre. Cependant, une telle valeur n'est pas impérative, et il suffit que les deux voies soient décalées d'une demi-période de sorte qu'en sortie de commutateur le décalage fréquentiel soit toujours constant. . Les pentes ascendante et descendante de ces modulations triangulaires peuvent être o identiques, mais peuvent aussi être différentes, par exemple la pente descendante peut être beaucoup plus forte que l'autre. On n'utilise dans le cas présent que les pentes ascendantes, en basculant alternativement le commutateur 14 à la sortie du module 12 et du module 13. Le décalage de phase entre les deux modulations triangulaires doit être, de préférence, tel que le sommet de la partie ascendante de l'une corresponde au moins au début de la partie ascendante de l'autre. Ainsi, on obtient à la sortie du commutateur 14 un décalage Doppler fixe sans interruptions. Toutefois, selon une variante de l'invention, on utilise soit un seul module de décalage, le commutateur 14 étant alors supprimé, soit au moins deux modules, mais dans ces deux cas, on n'utilise qu'une partie (ascendante, par exemple) de modulation parmi n consécutives, de même sens de variation (n pouvant être supérieur à 2 ou même à 10). Une telle caractéristique nécessite l'interruption de l'émission du faisceau laser pendant la génération des parties de modulation non utilisées (parties ascendantes et/ou descendantes), mais permet de réaliser un levée de doute en attendant l'arrivée de l'écho réel, correspondant à une portion de faisceau laser émise pendant une partie de modulation ascendante, avant d'émettre la portion de faisceau suivante. Selon une variante de l'invention, on fait passer deux ou plusieurs fois le faisceau laser dans le dispositif de décalage. Le première raison est d'ordre économique: si la pente en tension appliquée n'est pas suffisante pour obtenir le décalage voulu sur la durée de l'impulsion, on fait traverser une nouvelle fois au faisceau le module pour atteindre le décalage final désiré. La deuxième raison est que le module de décalage pourrait très bien être situé derrière le coupleur 5, juste avant l'émission du faisceau dans l'atmosphère, auquel cas le faisceau rétrodiffusé pourrait subir lui-même un décalage (identique ou inverse ou autre que le décalage initial). Le décalage de fréquence généré par le dispositif 11 (et/ou 11A) peut être contrôlé à l'aide de la valeur de la mesure du décalage à la sortie de chaque module de décalage. La tension de commande électrooptique ou la contrainte mécanique appliquée au support de propagation optique de ces modules (donc la pente et la forme de la modulation correspondante, et par conséquent la loi d'évolution du décalage de fréquence) peut alors être asservie à une valeur fixe ou évoluant selon une loi déterminée qui est fonction de l'application considérée, comme par exemple dans le cas où se produisent des phénomènes de narcisse (réflexions parasites). Cette mesure de décalage de fréquence peut être utilisée dans le posttraitement effectué dans les circuits de traitement de signal du signal rétro-diffusé. L'invention est également applicable lorsque l'on effectue des mélanges en BLU (en phase et en quadrature de phase). Les applications du dispositif de l'invention sont nombreuses: outre l'application considérée ici aux Lidars de télémétrie et de vélocimétrie, avec, le cas échéant des faisceaux chirpés , on citera les télécommunications (multiplexeurs et démultiplexeurs, par exemple, etc. Le dispositif de l'invention, grâce au remplacement du modulateur acoustooptique ou électro-optique classique par un dispositif de décalage à variation de longueur de parcours optique, permet d'éviter l'émission de raies harmoniques gênantes, et d'éviter la production d'une modulation radiofréquence. Les contraintes mécaniques ou électriques mises en jeu dans ce dispositif de décalage sont faibles et donc faciles à produire. Les technologies électro-optiques employées par l'invention sont issues de celles couramment employées en télécommunications, les composants utilisés étant compacts et peu coûteux, car réalisés en technique intégrée. On peut encore réduire les coûts de ces composants en les hybridant sur un guide d'ondes planaire, ce qui réduit le nombre de connexions par fils et fibres optiques. REVENDICATIONS 1. Dispositif de décalage de fréquence (11, 11A) dans un chemin optique à source laser à émission continue, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un module de décalage en fréquence (12, 13) contenant un support de propagation optique dont on modifie la longueur du chemin optique en fonction du décalage de fréquence désiré. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support de propagation optique est l'un des dispositifs suivants: une fibre optique, un guide d'ondes ou un cristal électro-optique. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système dans lequel on fait varier la fréquence est un Lidar et que l'évolution de la longueur du chemin optique du support de propagation optique est linéaire. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'évolution linéaire se fait séquentiellement de façon croissante, puis décroissante en suivant une loi de modulation triangulaire. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les pentes des segments ascendants et descendants de la loi de modulation triangulaire sont égales. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les pentes des segments ascendants et descendants de la loi de modulation triangulaire sont différentes. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on branche en parallèle au moins deux modules de décalage de fréquence et que leurs modulations triangulaires respectives sont identiques et décalées en phase, un commutateur (14) étant branché aux sorties de ces modules et commandé pour recueillir alternativement le faisceau optique dont le décalage en fréquence est constant. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on n'utilise qu'une partie de modulation parmi n consécutives de même sens de variation pour réaliser une levée de doute à l'arrivée des échos. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la loi d'évolution du décalage de fréquence est asservie à une valeur fixe. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en 5 ce que la loi d'évolution du décalage de fréquence est asservie à une valeur variable.