Brevet FR3124330A1 — publié le 20221223

Système optique de mise en forme temporelle et procédé Système de mise en forme électro-temporelle d’un signal optique, comportant : au moins une boucle optique comportant : au moins un moyen de modulation de l’amplitude, commandable électriquement, du signal optique circulant dans la boucle, au moins un moyen d’injection du signal optique à mettre en forme dans la boucle, au moins un moyen d’extraction du signal optique mis en forme par le moyen de modulation de l’amplitude, après que le signal optique ait effectué un nombre de passages prédéfini dans le moyen de modulation de l’amplitude en circulant dans la boucle, au moins un générateur de forme d’onde arbitraire relié au moyen de modulation de l’amplitude pour le commander. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Système optique de mise en forme temporelle et procédé La présente invention concerne les systèmes de mise en forme temporelle d’un signal optique. Le principe de la mise en forme temporelle électro-optique repose sur l’utilisation d’un modulateur électro-optique (EOM) commandé par une électronique de génération de formes d’onde arbitraires (AWG). Les améliorations apparues durant les trente dernières années pour la mise en forme électro-temporelle se sont concentrées sur les électroniques AWG d’un côté et les modulateurs de l’autre. Les électroniques ont ainsi vu leur taux d’échantillonnage multiplié par plus de 10, mais leur dynamique améliorée dans une moindre mesure comparativement aux électroniques analogiques, et ce malgré l’usage d’électroniques faible bruit, ayant un codage en tension le plus grand possible. De leur côté, les modulateurs ont été également améliorés principalement via des modifications d’architecture interne optique, permettant d’obtenir des taux d’extinction dépassant les 30 dB. Des tentatives de mise en cascade, couplées à des méthodes de filtrage des signaux parasites, ont été réalisées en particulier pour le Laser Méga Joule (LMJ). Avec ces modulateurs spécifiques, on a pu obtenir des taux d’extinction importants, permettant une bonne gestion du bruit entre les impulsions. Cependant, les électroniques associées ne permettent pas à ce jour d’obtenir une dynamique de l’ensemble aussi bonne que souhaité. En somme, en dépit des améliorations des modulateurs, les limitations en termes de dynamique de réglage perdurent, car les électroniques n’ont pas été suffisamment améliorées. Une limite existe également concernant les fronts de montée et de descente. Les modulateurs ayant atteint des limites autour de 100 GHz (~ 10 ps de front de montée) en laboratoire, la limite des mises en forme temporelle vient des électroniques qui, en version AWG, peinent à dépasser des fronts de montée de 30ps, et ce au prix d’une montée en coût rédhibitoire pour la plupart des applications. La maîtrise de la précision des formes temporelles requiert par ailleurs un nombre de points de contrôle ou d’adressage le plus important possible. L’augmentation de ce nombre passe par l’augmentation des fréquences des taux d’échantillonnage des électroniques AWG. Toutefois, ce gain de performances de l’électronique s’accompagne d’une augmentation du coût et d’une réduction de la dynamique, avec l’apparition de bruit. Des réalisations à double modulateur sont décrites dans les demandes CA2727985 et US 2006/0159138. Le brevet US 7428253 divulgue l’utilisation d’un modulateur avec un circulateur et un miroir, permettant un double passage, aller et retour, dans le modulateur. Enfin, les architectures en boucle sont connues et utilisées depuis de nombreuses années pour la réalisation de lasers dits « mode lock ». La boucle permet d’agir sur la phase de l’impulsion du signal laser et ainsi de modifier le spectre optique. Par exemple, la publication Chin et al. “Chirped-pulse–amplification seed source through direct phase modulation” fait usage de ce type d’architecture en boucle à des fins de modulation de phase. Il existe un besoin pour perfectionner encore les systèmes optiques de mise en forme temporelle, notamment en termes de performances de dynamique et de précision de réglage des formes. L’invention vise à répondre à cet objectif et a pour objet, selon l’un de ses aspects, un système de mise en forme temporelle d’un signal optique, comportant : au moins une boucle optique comportant : au moins un moyen, commandable électriquement, de modulation de l’amplitude du signal optique circulant dans la boucle, au moins un moyen d’injection du signal optique à mettre en forme dans la boucle, au moins un moyen d’extraction du signal optique mis en forme par le moyen de modulation de l’amplitude, après que le signal optique a effectué un nombre de passages prédéfini dans le moyen de modulation de l’amplitude en circulant dans la boucle, au moins un générateur de forme d’onde arbitraire relié au moyen de modulation de l’amplitude pour le commander. L’invention permet l’emploi d’électroniques moins coûteuses, tout en apportant un gain important de la dynamique de réglage et une amélioration de la capacité de réglage de la forme temporelle. De plus, un autre avantage est de permettre une amélioration des temps de montée et de descente des fronts. Signal optique Le signal optique peut provenir d’une source optique qui est un laser de type pulsé, une onde continue (Continuous Wave (CW)) ou quasi-continue (Quasi Continuous Wave (QCW)). Le signal optique peut avoir toute longueur d’onde, visible ou non. Forme d’onde Le signal modulant peut avoir n’importe quelle forme adaptée à la modulation à effectuer, selon l’application. La forme d’onde appliquée au moyen de modulation peut évoluer au cours des passages dans la boucle et à travers le moyen de modulation. En particulier, la forme d’onde peut être différente à chaque tour dans la boucle. Boucle optique La boucle optique peut être fibrée ou réalisée autrement, étant de préférence fibrée. La boucle optique peut être à recirculation, notamment de forme circulaire, avec par exemple l’injection et l’extraction réalisées sensiblement au même emplacement, avec une fibre par exemple orientée sensiblement tangentiellement à la boucle, ou à des emplacements différents. La boucle peut encore être en forme de huit, avec par exemple des injection et extraction au niveau des deux parties du huit respectivement, ou en forme de cercle avec des injection et extraction par une fibre en forme de S, qui vient tangenter la boucle à deux emplacements sensiblement diamétralement opposés. Moyen de modulation De préférence, le moyen de modulation de l’amplitude est choisi parmi les modulateurs électro-optique (EOM) et les amplificateurs via semi-conducteur (SOM-SOA). Des solutions basées sur les modulateurs acousto-optiques (AOM) seraient également envisageables mais avec des performances moindres. Il convient de comprendre par « moyen de modulation de l’amplitude » tout système capable de moduler la lumière par l’utilisation d’une tension ou d’un courant de modulation et reposant sur un ou plusieurs phénomènes optiques ou électro-optiques connus, par exemple l’effet Pockels, l’effet Kerr ou diélectrique, l’effet d’amplification, etc. Il s’agit par exemple d’un modulateur EOM basé sur l’effet Kerr dans une version d’interféromètre Mach-Zehnder, mais il peut également s’agir d’un modulateur basé sur l’amplification via semi-conducteur (SOM-SOA). Toutes ces variantes sont englobées par l’appellation « modulateur optique » dans la suite. La forme d’onde qui sert à commander le modulateur peut être enregistrée dans une mémoire tampon, qui est lue pour générer le signal électrique correspondant. Les formes d’onde à générer peuvent être enregistrées dans au moins deux mémoires tampon lues avec un décalage entre elles. Moyen d’injection et moyen d’extraction Le moyen d’injection permet d’introduire le signal optique dans la boucle de manière à lui permettre d’effectuer si on le souhaite plusieurs tours et plusieurs passages à travers le modulateur optique. Ce moyen d’injection comporte préférentiellement un système optique d’aiguillage tel qu’un coupleur optique. Alternativement, le moyen d’injection comporte un commutateur optique, par exemple à deux entrées et une sortie. Il est également possible d’avoir un commutateur à deux entrées et deux sorties, avec une sortie inutilisée. Le moyen d’extraction permet d’extraire le signal mis en forme après passage le nombre de fois recherché à travers le modulateur optique pour le diriger vers un élément choisi en fonction de l’application. Le moyen d’extraction peut comporter un commutateur optique, notamment un commutateur optique comportant un modulateur acousto-optique (AOM) ou électro-optique (EOM), par exemple en configuration à une entrée et deux sorties. Le moyen d’injection et le moyen d’extraction peuvent comporter un composant actif commun à deux entrées et deux sorties. Ainsi, un seul et même composant est alors utilisé pour l’aiguillage du signal en entrée et en sortie de la boucle. Cela permet de limiter les pertes optiques en limitant le nombre de composants traversés par le signal. De préférence, le système selon l’invention est configuré pour faire effectuer au signal circulant dans la boucle deux passages ou plus, à travers le moyen de modulation de l’amplitude, avant son extraction de la boucle. Ceci permet d’améliorer la dynamique ainsi que la précision de la modulation, tout en disposant d’une électronique relativement peu coûteuse, car la moindre performance de l’électronique est compensée par la répétition des passages à travers le modulateur optique. Moyens de synchronisation Le système selon l’invention comporte préférentiellement des moyens de synchronisation configurés pour que le signal subisse une première modulation résultant en une première forme d’onde du signal optique, et une deuxième modulation s’appliquant au moins partiellement à cette première forme d’onde après son passage dans la boucle. Ainsi, le signal subit une succession de modulations à des instants choisis en fonction du temps de propagation dans la boucle, pour aboutir à la mise en forme électro-temporelle recherchée. La modulation appliquée peut être en tout ou rien au moyen d’une porte optique. Ceci permet d’améliorer le taux d’extinction et de raidir les fronts de montée et de descente. De préférence, les moyens de synchronisation sont configurés pour que les formes d’onde générées soient ajustées temporellement de façon à être synchrones avec le passage du signal optique dans le moyen de modulation de l’amplitude, à chaque tour de boucle. Ainsi, il est possible d’appliquer au signal une modulation différente à chaque tour de boucle, si on le souhaite. L’ajustement des délais entre les formes d’onde peut être réalisé par exemple de deux méthodes, lesquelles peuvent se compléter le cas échéant : un ajustement de la longueur de boucle par l’ajout d’une longueur de fibre compatible avec le temps de réponse de l’électronique (plusieurs dizaines de nanosecondes). Il est possible de compléter cet ajustement avec une ligne à retard optique variable dans la boucle, permettant un ajustement fin. On a par exemple un retard de 100ns (~20 mètres de fibre pour un laser de 1µm), complété par une ligne à retard de 150 ps ayant une résolution de moins de 100 femtosecondes en standard, avec un délai total > 150ps ; et/ou un ajustement des délais entre les signaux de commande générés par le ou les générateurs AWG. Dans ce cas, en fonction de l’architecture du ou des générateurs AWG, on a par exemple : un ajustement des délais par ajout et/ou suppression d’échantillons de valeur prédéfinie, notamment de valeur nulle, dans les formes d’onde ; et/ou un décalage des instants de génération de chaque forme d’onde. Amplificateur optique La boucle peut comporter au moins un amplificateur optique pour amplifier le signal optique à chaque tour dans la boucle. L’ajout d’un amplificateur optique dans la boucle permet d’augmenter significativement le nombre de tours possibles, en compensant les pertes rencontrées par le signal circulant dans la boucle. De préférence, la boucle comporte un isolateur en aval de l’amplificateur, ce qui permet de fixer le sens de propagation. L’isolateur limite également le développement d’un phénomène d’émission amplifiée spontanée (Amplified Spontaneous Emission (ASE)) contra-propagative. La boucle peut également comprendre un filtre anti-ASE, placé de préférence en amont de l’amplificateur optique. L’amplificateur optique est préférentiellement dimensionné pour éviter de transformer la boucle en laser. A chaque tour, le gain est alors quasi égal aux pertes. Le choix de composants faibles pertes, et d’une architecture avec peu de composants par tour, permet de limiter le besoin en amplification ainsi que de limiter le phénomène de l’ASE. Dans le cas où le modulateur optique est un amplificateur optique à semi-conducteur (SOM- SOA), il n’y a pas besoin de recourir à un amplificateur optique supplémentaire. Dans ce cas, le signal optique est injecté dans le modulateur SOM-SOA pendant que le niveau de courant alimentant l’amplificateur est modulé par le générateur. Dans le cas où le modulateur optique est de type SOM-SOA, il est préférable d’inclure un isolateur dans la boucle, afin d’éviter la circulation d’impulsions parasites. Lorsque la boucle comprend un amplificateur optique ou un modulateur optique qui est de type SOM-SOA, le nombre de tours n’est plus limité par les pertes, ces dernières étant compensées par le gain de l’amplificateur optique ou du modulateur de type SOM-SOA. Dans ce cas, le nombre de tours peut dépendre de la capacité du ou des générateurs AWG à fournir les formes temporelles requises pendant toute la durée des tours. Procédé de mise en forme temporelle L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de mise en forme temporelle d’un signal optique, mis en œuvre dans un système tel que défini ci-dessus, dans lequel le signal optique effectue au moins deux passages dans le moyen de modulation de l’amplitude avant son extraction. De préférence, le signal subit un premier passage dans le moyen de modulation de l’amplitude résultant en une première forme d’onde du signal optique, et un nouveau passage dans le moyen de modulation de l’amplitude avec un retard choisi de telle sorte que la première forme d’onde soit affectée par ce nouveau passage. Le retard et la modulation appliqués sont préférentiellement choisis pour redresser au moins une pente du signal, notamment celle du front avant de l’onde. Ainsi, les temps de montée et/ou de descente peuvent être raccourcis sans pour autant nécessiter une électronique extrêmement rapide et coûteuse. Le retard et la modulation peuvent également être choisis pour améliorer la précision de réglage du niveau d’intensité. On peut utiliser une mémoire tampon dans laquelle sont mémorisées plusieurs formes d’ondes correspondant à différents passages dans le modulateur, ou plusieurs mémoires tampon dans lesquelles sont enregistrées des formes d’ondes correspondant à différents passages dans le modulateur, les mémoires étant lues séquentiellement de telle sorte qu’une ou plusieurs formes d’ondes sont lues dans une mémoire avant qu’une ou plusieurs autres formes d’ondes soient lues dans l’autre mémoire, avec de préférence une lecture alternée d’une forme d’onde dans chaque mémoire à chaque tour de boucle. Applications L’invention peut être appliquée aux lasers de puissance pour le confinement inertiel. Le besoin de maîtrise des formes temporelles est alors un impératif. Dans ces applications, la multiplicité des systèmes de mise en forme temporelle, liée au grand nombre de faisceaux, appelle également une très grande maîtrise des intensités relatives pour assurer la symétrie d’éclairement des cibles. L’invention permet une bonne maîtrise de la forme des signaux optiques, quelle que soit l’amplitude des pré-paliers ou des niveaux bas des formes temporelles. L’invention peut également s’appliquer aux lasers utilisés dans l’industrie ou la médecine. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : la illustre schématiquement un premier exemple de système selon l’invention ; la représente schématiquement un deuxième exemple de système selon l’invention ; la illustre schématiquement un troisième exemple de système selon l’invention ; la représente schématiquement un quatrième exemple de système selon l’invention ; la illustre schématiquement un cinquième exemple de système selon l’invention ; la représente schématiquement un sixième exemple de système selon l’invention ; la illustre schématiquement un septième exemple de système selon l’invention ; la représente schématiquement un huitième exemple de système selon l’invention ; la représente schématiquement des exemples de boucles optiques ; la représente schématiquement un exemple d’amélioration de la précision du signal en sortie du système ; la illustre schématiquement un exemple d’application de l’invention à la diminution du temps de montée d’un front d’onde ; la représente schématiquement d’autres exemples de raidissement du front de montée par des modulations multiples ; et la illustre schématiquement le raidissement des pentes d’un signal sinusoïdal par des modulations multiples. Système (1) de mise en forme temporelle d’un signal optique (117), comportant : au moins une boucle optique (2) comportant : au moins un moyen, commandable électriquement, de modulation de l’amplitude (10 ; 100) du signal optique circulant dans la boucle, au moins un moyen d’injection (12) du signal optique à mettre en forme dans la boucle, au moins un moyen d’extraction (13) du signal optique mis en forme par le moyen de modulation de l’amplitude, après que le signal optique a effectué un nombre de passages prédéfini dans le moyen de modulation de l’amplitude en circulant dans la boucle, au moins un générateur de forme d’onde arbitraire (11) relié au moyen de modulation de l’amplitude pour le commander. Système selon la revendication précédente, le moyen de modulation de l’amplitude (10 ; 100) étant choisi parmi les modulateurs (10) électro-optique (EOM), les modulateurs via amplificateur à semi-conducteur (SOM-SOA) et les modulateurs acousto-optiques (AOM). Système selon l'une des deux revendications précédentes, le moyen d’extraction du signal comportant un commutateur optique (13), notamment comportant un modulateur acousto-optique (AOM) ou électro-optique (EOM), en configuration à une entrée et deux sorties. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, le moyen d’injection comportant un système optique d’aiguillage (12). Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, le moyen d’injection et le moyen d’extraction comportant un composant actif commun (15) à deux entrées et deux sorties. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, étant configuré pour faire effectuer au signal circulant dans la boucle plusieurs passages à travers le moyen de modulation de l’amplitude (10 ; 100) avant son extraction de la boucle. Système selon la revendication 6, le système comportant des moyens de synchronisation (30) configurés pour que le signal subisse une première modulation résultant en une première forme d’onde du signal optique, et une deuxième modulation, notamment différente de la première, s’appliquant au moins partiellement à cette première forme d’onde après son passage dans la boucle. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, lesdits moyens de synchronisation (30) étant configurés pour que les formes d’onde générées soient synchrones avec le passage du signal optique dans le moyen de modulation de l’amplitude (10 ; 100) à chaque tour de boucle. Système selon l’une des revendications précédentes, comportant au moins une mémoire tampon (35) dans laquelle ou lesquelles les formes d’onde à générer sont enregistrées, notamment deux mémoires tampon (35) lues avec un décalage entre elles. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, ladite boucle (2) comportant au moins un amplificateur optique (19) pour amplifier le signal optique à chaque tour dans la boucle. Procédé de mise en forme temporelle d’un signal optique, mis en œuvre dans un système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le signal optique (117) effectue au moins deux passages dans le moyen de modulation de l’amplitude (10 ; 100) avant son extraction. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le signal optique (117) subit un premier passage dans le moyen de modulation de l’amplitude (10 ; 100) résultant en une première forme d’onde du signal optique, et un nouveau passage dans le moyen de modulation de l’amplitude (10 ; 100) avec un retard choisi de telle sorte que la première forme d’onde soit affectée par ce nouveau passage. Procédé selon la revendication 12, le retard et la modulation appliqués étant choisis pour redresser au moins une pente du signal, notamment celle du front avant de l’onde. Procédé selon la revendication 12, le retard et la modulation appliqués étant choisis pour améliorer la précision de réglage du niveau d’intensité. Procédé selon l’une des revendications 11 à 14, dans lequel on utilise une mémoire tampon (35) dans laquelle sont mémorisées plusieurs formes d’ondes correspondant à différents passages dans le modulateur ou plusieurs mémoires tampon dans lesquelles sont enregistrées des formes d’ondes correspondant à différents passages dans le modulateur, les mémoires étant lues séquentiellement de telle sorte qu’une ou plusieurs formes d’ondes sont lues dans une mémoire avant qu’une ou plusieurs autres formes d’ondes soient lues dans l’autre mémoire, avec de préférence une lecture alternée d’une forme d’onde dans chaque mémoire à chaque tour de boucle.