Brevet FR2899328A1 — publié le 20071005

DISPOSITIF ENTIEREMENT OPTIQUE DE DECOUPAGE DE LA DYNAMIQUE D'UN SIGNAL OPTIQUE ET SYSTEME DE MESURE DU SIGNAL, UTILISANT CE DISPOSITIF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif de découpage de la dynamique (en anglais, dynamic range) d'un signal optique. Ce dispositif s'applique notamment au domaine de la métrologie. Il permet, en particulier, de mesurer un signal optique de grande dynamique, et plus particulièrement la forme temporelle d'une impulsion optique de grande dynamique (jusqu'à 10 000, voire plus) à l'aide, par exemple, d'un oscilloscope ou d'un numériseur, sans en dégrader les performances intrinsèques. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Actuellement, le développement des numériseurs et des oscilloscopes se fait essentiellement par augmentation de la bande passante d'acquisition pour répondre, en particulier, aux besoins des télécommunications. Or, cette augmentation a généralement lieu au détriment de la dynamique de mesure. Ainsi, un oscilloscope dont la bande passante vaut 6 GHz ne possède qu'une dynamique effective de 3,5 bits, c'est-à-dire d'environ 11. Dès lors, il est impossible de pouvoir mesurer, sur la même entrée et le même calibre d'un oscilloscope, un signal ayant une dynamique supérieure à celle de cet oscilloscope, avec une précision suffisante (rapport signal sur bruit). Indiquons dès maintenant que le dispositif de découpage de dynamique, objet de l'invention, permet de pallier ce manque de dynamique. Associé à un détecteur simple, ce dispositif permet de restituer une impulsion optique ayant une grande dynamique, par exemple 3000 ou plus, en décomposant cette impulsion en plusieurs parties. On préserve ainsi toutes les autres performances de la chaîne de mesure, notamment la bande passante, et une précision de mesure suffisante en termes de métrologie. De plus, le dispositif permet une recomposition aisée de l'enveloppe de l'impulsion puisque chaque partie de cette impulsion est décrite par la même fonction de transfert. On connaît déjà divers dispositifs pour augmenter la dynamique de mesure en découpant le signal optique que l'on veut mesurer. Mais tous ces dispositifs connus sont fondés sur un découpage électrique : - soit ils utilisent un photodétecteur et découpent le signal électrique fourni par ce photodétecteur à l'aide de T séparateurs, - soit ils découpent le signal optique et utilisent plusieurs photodétecteurs. L'inconvénient majeur de ces dispositifs connus réside dans le fait qu'ils nécessitent de recomposer un signal filtré par des fonctions de transfert différentes, étant donné qu'ils utilisent plusieurs canaux d'un numériseur ou d'un oscilloscope et éventuellement plusieurs photodétecteurs. De plus, dans le cas d'un découpage de dynamique à l'aide d'un dispositif électrique, l'utilisation de câbles électriques de grande longueur dégrade les performances temporelles du système d'acquisition. La reconstitution du signal optique est donc très difficile et les performances que l'on atteint sur le gabarit global du signal sont limitées. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents. Pour ce faire, la présente invention utilise un découpage entièrement optique. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de découpage de la dynamique d'un signal optique incident, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens entièrement optiques, aptes à découper cette dynamique. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif, objet de l'invention, les moyens de découpage entièrement optiques comprennent : des moyens de division entièrement optiques, aptes à diviser le signal optique incident en N+1 signaux optiques S0, S1, 52,...,SN, où N est un nombre entier au moins égal à 1, chacun de ces N+1 signaux optiques présentant une atténuation par rapport au signal optique incident, - des moyens de décalage temporel entièrement optiques, aptes à décaler temporellement les signaux optiques S1 à SN par rapport au signal optique S0, et - des moyens de multiplexage entièrement optiques, aptes à multiplexer les signaux optiques décalés temporellement. De préférence, les moyens de division entièrement optiques comprennent des premiers coupleurs à fibres optiques. Ces premiers coupleurs optiques sont de préférence des coupleurs à fibres optiques monomodes. De préférence, les moyens de décalage temporel entièrement optiques comprennent N fibres optiques. Ces N fibres optiques sont de préférence monomodes. De préférence, les moyens de multiplexage entièrement optiques comprennent des deuxièmes coupleurs à fibres optiques. Ces deuxièmes coupleurs optiques sont de préférence des coupleurs à fibres optiques monomodes. La présente invention concerne aussi un système de mesure d'un signal optique, ce système comprenant : le dispositif de découpage de la dynamique d'un signal optique incident, objet de l'invention, - des moyens de photodétection du signal 30 optique dont la dynamique a été découpée par ce dispositif, ces moyens de photodétection étant aptes à fournir un signal électrique, représentatif du signal optique dont la dynamique a été découpée, et - des moyens électroniques de traitement de ce signal électrique, aptes à restituer le signal optique incident. De préférence, les moyens électroniques de traitement comprennent un oscilloscope ou un numériseur. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une illustration du principe de découpage de la dynamique d'une impulsion optique en plusieurs niveaux, comme on le fait dans la présente invention, - la figure 2 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif de découpage de dynamique, objet de l'invention, - la figure 3 illustre schématiquement le résultat d'un découpage de dynamique, effectué conformément à l'invention, - la figure 4 montre le profil temporel d'une impulsion lumineuse émise par un laser de puissance, et - la figure 5 est une vue schématique d'un exemple de dispositif conforme à l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Conformément à l'invention, un dispositif de découpage de la dynamique d'un signal optique, tel qu'une impulsion optique, comporte : - une section de découpage de la dynamique de l'impulsion, par atténuation de parties de cette impulsion, et une section de multiplexage et de décalage temporel, comportant des fibres optiques qui permettent de décaler temporellement les différentes parties de l'impulsion. Selon l'invention, on découpe la dynamique de l'impulsion en M tranches, où M est un nombre entier au moins égal à 2. Le nombre de tranches fixe l'architecture du dispositif de découpage, qui varie en fonction des paramètres suivants : - la dynamique de mesure à atteindre, - la précision de mesure souhaitée, et - le retard temporel entre les parties découpées de l'impulsion. De façon originale, ce dispositif conforme à l'invention permet de faire l'acquisition des différentes parties découpées de l'impulsion au moyen d'un seul photodétecteur, sur un seul canal et donc avec le même calibre d'un oscilloscope ou d'un numériseur. Ainsi, la reconstruction du signal optique complet est beaucoup plus précise. Considérons d'abord le découpage de la dynamique. Pour ce découpage, on doit définir un point de fonctionnement au niveau du photodétecteur, tel qu'une photodiode, de manière à toujours avoir un rapport signal sur bruit suffisant, sans jamais dépasser le seuil d'endommagement de la photodiode, et ce pour toutes les acquisitions. Le réglage s'effectue en fixant le niveau de sortie de la photodiode pour la mesure du pic à 80% du calibre de l'oscilloscope ou du numériseur, pour pallier les écarts de l'énergie fournie par rapport à l'énergie attendue. Ensuite, à l'aide de coupleurs à fibres optiques, de préférence des coupleurs à fibres monomodes, on atténue plus ou moins les différentes parties de l'impulsion autour de ce point de fonctionnement pour en faire l'acquisition. On répète l'opération autant de fois que cela est nécessaire (M tranches), en fonction de la dynamique de l'impulsion à acquérir. Un exemple de découpage de dynamique à quatre niveaux (M=4) est illustré par la figure 1. Sur cette figure 1, on voit une impulsion optique I dont le niveau n est représenté en fonction du temps t, exprimé en nanosecondes. Le niveau n s'étend de 0,10% à 100,00%. Dans cet exemple, on a découpé l'impulsion, ou plus précisément la dynamique de celle-ci, c'est-à-dire l'intervalle [0,10% ; 100,00%], en les quatre parties A, B, C et D que l'on voit sur la figure 1. Comme on le voit, chacune de ces parties d'impulsion se recouvre avec la partie suivante. Les trois zones de recouvrement Z qui en résultent servent à la reconstruction du signal optique complet. Il convient de noter que la partie A s'étend jusqu'à 100,00% tandis que la partie D ne commence pas exactement à 0,10% mais un peu au-dessus de cette valeur car le rapport signal sur bruit n'est pas suffisamment bon pour utiliser ces points pour reconstruire le signal. En d'autres termes, la précision du signal n'est pas suffisante car ce signal est dans le bruit de fond de la chaîne de mesure. On considère maintenant le multiplexage. De façon à ce que les différentes parties de l'impulsion soient acquises sur le même canal, on les retarde à l'aide de fibres optiques qui sont de préférence monomodes. Les longueurs de ces fibres dépendent directement de la durée de l'impulsion et du temps que l'on veut avoir entre l'acquisition d'une partie d'impulsion et l'acquisition de la partie suivante. Un dispositif de découpage de dynamique conforme à l'invention est schématiquement représenté sur la figure 2. Ce dispositif comporte une entrée 2 et une sortie 4. L'entrée 2 est destinée à recevoir une impulsion lumineuse 6 qui est émise par une source lumineuse 8 telle qu'un laser. Ce dispositif est constitué de moyens entièrement optiques pour découper la dynamique de l'impulsion lumineuse 6. Ces moyens entièrement optiques comprennent des moyens de division 10, des moyens de décalage temporel 12 et des moyens de multiplexage 14. Les moyens de division 10 permettent de diviser l'impulsion 6 en N+1 signaux optiques S0, S1, S2, SN (N entier supérieur ou égal à 1) qui présentent une atténuation par rapport à l'impulsion 6. Les moyens de décalage temporel 12 permettent de décaler temporellement S1, S2, ..., SN par rapport à S0. Les moyens de multiplexage 14 permettent de multiplexer les signaux temporellement décalés. Les moyens de division 10 comprennent N coupleurs à fibres optiques Cl, C2, ..., CN-1, CN, chaque coupleur ayant une entrée (ou voie d'entrée) et deux sorties (ou voies de sortie). Ces coupleurs pourraient être faits à partir de fibres optiques multimodes mais sont de préférence faits à partir de fibres optiques monomodes. L'entrée du coupleur Ci est optiquement reliée à l'une des deux sorties du coupleur Ci+l, pour tout i allant de 1 à N-1, et l'entrée du coupleur CN correspond à l'entrée 2 du dispositif. Les signaux SO et S1 sont respectivement fournis par les deux sorties du coupleur Cl et, pour tout i allant de 1 à N, le signal Si est fourni par l'une des deux sorties du coupleur Ci. Pout tout i allant de 1 à N, étant donné une puissance lumineuse Pi disponible à l'entrée du coupleur Ci, ce coupleur fournit respectivement des puissances lumineuses xiPi et YiPi sur ses deux voies de sortie, xi+yi étant égal à 100%. Pour chacun de ces coupleurs, cette répartition de puissance sur les voies de sortie est choisie de la façon suivante : La somme des atténuations de chaque coupleur, vue par une impulsion, doit permettre d'avoir une puissance du signal optique compatible avec le fonctionnement de la photodiode 16 que comporte le système représenté sur la figure 2 et sur laquelle on reviendra par la suite. Les moyens de décalage temporel 12 comprennent N fibres optiques F1, F2, ..., FN-1, FN. Ces fibres pourraient être multimodes mais sont de préférence monomodes. Une extrémité de la fibre F1 est reliée à la sortie du coupleur Cl qui fournit le signal S1 et une extrémité de la fibre Fi est reliée à la sortie du coupleur Ci, qui n'est pas connectée au coupleur Ci-1 et qui fournit le signal Si, pour tout i allant de 2 à N. Pour tout i allant de 1 à N, la longueur Li de la fibre Fi est déterminée de façon qu'il n'y ait pas de diaphonie entre les N impulsions à analyser et les parties d'impulsion qui sont générées par chacun des coupleurs Cl à CN. Les moyens de multiplexage 14 comprennent N coupleurs à fibres optiques cl, c2, ..., cN-1, cN, chaque coupleur ayant une sortie et deux entrées. Dans l'exemple, on utilise des coupleurs de type 50-50 ; cependant, d'autres types pourraient être utilisés. De plus, il est préférable que les coupleurs cl à cN soient faits à partir de fibres monomodes mais on peut aussi utiliser des coupleurs faits à partir de fibres multimodes. Les deux entrées du coupleur cl sont respectivement reliées à la sortie du coupleur Cl, qui fournit le signal S0, et à l'autre extrémité de la fibre F1 ; les deux entrées du coupleur ci sont respectivement reliées à la sortie du coupleur ci-1 et à l'autre extrémité de la fibre Fi, pour tout i allant de 2 à N ; et la sortie du coupleur cN correspond à la sortie 4 du dispositif. On voit aussi, sur la figure 2, un système de mesure conforme à l'invention. Ce système comprend le dispositif que l'on vient de décrire, une photodiode 16 qui est optiquement reliée à la sortie 4 pour recevoir le signal optique multiplexé, issu de cette sortie et un oscilloscope 18 (ou un numériseur) dont l'entrée reçoit le signal électrique fourni par la photodiode 16 lorsque celle-ci reçoit le signal multiplexé. A titre d'exemple, le résultat d'un découpage de dynamique en quatre parties, ou niveaux, par un dispositif conforme à l'invention, est schématiquement représenté sur la figure 3. Les courbes I, II, III et IV de cette figure 3 correspondent respectivement à des parties du genre des parties A, B, C et D de la figure 1. De plus, la courbe I représente le pic de l'impulsion ; la courbe II représente le bas du pic de l'impulsion ; la courbe III représente le haut du pré-palier de l'impulsion ; la courbe IV représente le bas du pré- palier de l'impulsion. A titre d'exemple, on considère ci-après un dispositif de découpage de la dynamique d'une impulsion lumineuse émise par un laser de puissance, conformément à l'invention. On veut mesurer la forme temporelle de cette impulsion qui a une dynamique de 3000 dans le cas le plus pessimiste. Cette forme temporelle, ou profil temporel, est représentée sur la figure 4 et correspond à la courbe représentative des variations de la puissance P (en TW) de l'impulsion en fonction du temps t (en ns). Sur la figure 4, on a délimité cinq zones Z1 à Z5 entre cette courbe et l'axe des temps. Si l'on veut acquérir le pré-palier de l'impulsion (zones Z1 et Z2) au moyen d'une photodiode, il faut déterminer un point de fonctionnement de la photodiode pour que le rapport signal sur bruit du pré-palier respecte les précisions requises. Dans cet exemple, on choisit une photodiode fibrée et amplifiée, qui possède un seuil de saturation de 8V. Pour ce type de photodiode, le seuil de destruction vaut le triple du seuil de saturation. Pour le dimensionnement du dispositif de découpage de dynamique, on définit les données suivantes qui sont fixées . • bruit total (notamment bruit de numérisation et bruit de la photodiode) : 8% du calibre de l'oscilloscope à 26, où 6 représente l'écart-type (en anglais standard deviation) de la valeur du bruit, • contraste pic/pré-palier : 100, et • niveau de saturation de la photodiode . 8 V avec photodiode amplifiée. De plus, les paramètres considérés sont : • le calibre d'acquisition de l'oscilloscope que l'on relie à la photodiode pour traiter le signal électrique fourni par cette dernière lorsqu'elle reçoit un signal lumineux, • l'équilibrage de la transmission de chacun des coupleurs optiques utilisés, • le recouvrement des zones de découpage, et • le point de fonctionnement de la photodiode. Le réglage s'effectue en fixant le niveau de sortie de la photodiode pour la mesure du pic à 80% du calibre, pour pallier les écarts de l'énergie fournie par rapport à l'énergie attendue. Cela permet d'avoir une marge de sécurité. Il est préférable de prévoir un recouvrement des différentes zones de découpage de l'impulsion afin de reconstruire au mieux le signal temporel. Cela permet de reconstruire ce signal à l'aide d'un traitement informatique avec une bonne précision. Dans l'exemple considéré, le dispositif de découpage de dynamique est un dispositif de découpage en quatre niveaux, à l'aide de trois coupleurs optiques Cl, C2 et C3, comme le montre schématiquement la figure 5. On ne décrira pas cette figure. Indiquons simplement qu'elle correspond à la figure 2 dans le cas particulier où N vaut 3. Sur la figure 5, les notations ont donc été adaptées à cette valeur de N. De plus, dans l'exemple de la figure 5, la source 6 est un laser de puissance et la référence 18 représente un oscilloscope. Les longueurs des fibres optiques F1, F2 et F3 sont déterminées de façon que les quatre impulsions découpées arrivent décalées dans le temps sans diaphonie entre elles. Les résultats de la simulation du découpage obtenu avec le dispositif de la figure 5 sont donnés ci- après : Signal électrique maximum de la photodiode pour le pic : 65 mV ; calibre : 0,01 V/division ; amplitude maximale sur l'oscilloscope 8 divisions ; Coupleur Cl Coupleur C2 Coupleur C3 Voie de sortie vl 60% 60% 85% Voie de sortie v2 40% 40% 15% Signal (mV)/précision à 26 Zone de Partie 1 Partie 2 Partie 3 Partie 4 l'impulsion Pic Z5 65/1,2% 295/Saturé 1255/Saturé 6800/Saturé Zone 12/6,2% 58/1,5% 250/Saturé 1360/Saturé intermédiaire Z4 (20%) Zone 3/NE 14/6,2% 63/1,3% 340/Saturé intermédiaire Z3 (5%) Pré-palier Z1, 0,6/NE 3/NE 13/6,2% 68/1,2% Z2 Dans le tableau ci-dessus, NE représente les parties de l'impulsion dont les points sont inexploitables cae le bruit est trop important, et les parties 1 à 4 sont les quatre impulsions résultant du découpage. Un tel découpage est optimal pour les raisons suivantes . -avec cette configuration, la dynamique est couverte complètement en 4 bandes se recouvrant légèrement pour faciliter la reconstruction du signal, - la précision pour chaque zone permet une exploitation optimale des mesures, et - le signal maximal à la sortie de la photodiode est de 6,8 V (pic de l'impulsion 4, c'est-à-dire de l'impulsion la moins atténuée). Les principaux avantages d'un tel dispositif sont les suivants : - un découpage optique du signal en amont du système de détection (photodiode), qui permet de ne pas dégrader les performances de ce système, - la détection des différentes parties de l'impulsion par le même système de détection, 20 permettant ainsi d'avoir la même fonction de transfert, un encombrement restreint car le dispositif résulte simplement de l'association de coupleurs à fibres optiques et de fibres optiques, et - le fait que le dispositif soit fondé sur 25 des éléments fibrés et peu coûteux du commerce, dont la conception est parfaitement maîtrisée. L'originalité de ce dispositif réside dans le fait qu'il permet de faire l'acquisition d'un signal de grande dynamique avec un seul détecteur et sur une 30 seule entrée d'un oscilloscope (ou d'un numériseur), sans changer le calibre de ce dernier. De plus, il 10 15 permet de conserver les performances de l'oscilloscope, notamment sa résolution. En outre, ce dispositif est avantageusement fondé sur un découpage optique qui permet de conserver toutes les caractéristiques initiales du signal à analyser. De plus, ce dispositif est entièrement réalisable à partir de fibres optiques. Remarquons aussi que ce dispositif permet d'augmenter artificiellement, par découpage optique, la dynamique de mesure d'un numériseur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de découpage de la dynamique d'un signal optique incident, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de découpage entièrement optiques (10, 12, 14), aptes à découper cette dynamique. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de découpage entièrement optiques comprennent : - des moyens de division entièrement optiques (10), aptes à diviser le signal optique incident en N+1 signaux optiques SO, S1, 52,..., SN, où N est un nombre entier au moins égal à 1, chacun de ces N+1 signaux optiques présentant une atténuation par rapport au signal optique incident, des moyens de décalage temporel entièrement optiques (12), aptes à décaler temporellement les signaux optiques S1 à SN par rapport au signal optique SO, et - des moyens de multiplexage entièrement optiques (14), aptes à multiplexer les signaux optiques décalés temporellement. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens de division entièrement optiques comprennent des premiers coupleurs à fibres optiques (Cl, C2,..., CN). 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les premiers coupleurs optiques sont des coupleurs à fibres optiques monomodes (Cl, C2,..., CN). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel les moyens dedécalage temporel entièrement optiques comprennent N fibres optiques (F1, F2,..., FN). 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les N fibres optiques (F1, F2,..., FN) sont monomodes. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel les moyens de multiplexage entièrement optiques comprennent des deuxièmes coupleurs à fibres optiques (cl, c2,..., cN). 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les deuxièmes coupleurs optiques sont des coupleurs à fibres optiques monomodes (cl, c2,..., cN). 9. Système de mesure d'un signal optique, ce système comprenant : - le dispositif de découpage de la dynamique d'un signal optique incident selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, - des moyens (16) de photodétection du signal optique dont la dynamique a été découpée par ce dispositif, ces moyens de photodétection étant aptes à fournir un signal électrique, représentatif du signal optique dont la dynamique a été découpée, et des moyens électroniques (18) de traitement de ce signal électrique, aptes à restituer le signal optique incident. 10. Système selon la revendication 9, dans lequel les moyens électroniques de traitement comprennent un oscilloscope ou un numériseur (18).30