Brevet FR3117217A1 — publié le 20220610

Dispositif large bande d’analyse spectrale (D) d’un signal d’intérêt comprenant : une source (S) adaptée pour générer ledit signal d’intérêt (Si) ; un élément optique séparateur (ES) adapté pour séparer spatialement ledit signal d’intérêt en un premier signal (V1) et un deuxième signal (V2) ; une première cavité optique à décalage de fréquence (DBDF, BDF1) comprenant un premier décaleur de fréquence (AOM1) adapté pour décaler la fréquence optique du premier signal d’une première fréquence par aller-retour dans ladite première cavité, ladite première cavité présentant un premier temps de parcours ; une deuxième cavité optique à décalage de fréquence (DBDF, BDF2) comprenant un deuxième décaleur de fréquence (AOM2) adapté pour décaler la fréquence optique du deuxième signal d’une deuxième fréquence par aller-retour dans ladite deuxième cavité, ladite deuxième cavité présentant un deuxième temps de parcours ; la première et la deuxième cavité optique étant adaptées pour qu’un nombre maximal d’aller-retour dudit signal dans la première et la deuxième cavitésoit égal à prédéterminé ; un détecteur (PD) adapté pour détecter de manière cohérente le premier signal (W1) transmis par la première cavité et le deuxième signal (W2) transmis par la deuxième cavité et générer un photocourant (Tr) proportionnel à une intensité lumineuse détectée par ledit détecteur, un filtre passe-bas analogique (LP) adapté pour filtrer des fréquences du photocourant inférieures à un processeur (UT) configuré pour calculer un module carré du photocourant filtré par ledit filtre passe-bas, à partir duquel est déterminée une représentation temporelle d’une information fréquentielle dudit signal d’intérêt. Figure 2 Dispositif d’analyse spectrale large bande d’un signal d’intérêt L’invention relève du domaine du traitement analogique de signaux optiques et radiofréquences, et plus particulièrement du traitement analogique de signaux optiques et radiofréquences large bande à l’aide de cavités optiques à décalage de fréquence. La connaissance du spectre d’un signal d’intérêt est primordiale dans de nombreuses applications telles que la spectrométrie, la compatibilité électromagnétique, la localisation d’émetteurs et l’interception de signaux, la navigation, et l’observation géophysique et astronomique. Dans le domaine optique, l’analyse spectrale est typiquement réalisée par trois types de dispositifs. Une première solution consiste à faire diffracter le signal optique par un réseau. L’éclairement en champ lointain donne le spectre. Ces spectromètres à réseau sont très utilisés, à cause de leur simplicité et leur faible coût. En revanche, leur résolution fréquentielle n’est pas meilleure que la dizaine de GHz. Une autre technique permettant une résolution spectrale meilleure (quelques GHz) est l’analyse spectrale à transformée de Fourier (TF) qui consiste à utiliser un interféromètre de Michelson. Le retard de l'interféromètre varie au cours du temps, grâce à un miroir monté sur un chariot mobile. On enregistre les franges au cours du temps (c’est-à-dire l'interférogramme). Une opération de TF permet ensuite d’accéder au spectre. C'est le principe de base des OSA ("optical spectrum analyzer") commerciaux. Les limites de ce dispositif sont doubles : la résolution spectrale est donnée par la différence de marche maximale de l'interféromètre. En pratique, cette résolution est de l'ordre du GHz. De plus le temps nécessaire pour mesurer un spectre est de l'ordre de la seconde. La technique est donc réservée à des signaux optiques suffisamment longs, ou dont le spectre est constant au cours du temps. En effet, la probabilité d’interception ou POI (c’est à dire la probabilité qu’un signal soit effectivement mesuré par l’analyseur spectral) d’un tel dispositif est faible. Une troisième technique est l’analyse spectrale hétérodyne. Cette technique présente une résolution spectrale de quelques MHz et permet de mesurer des spectres avec une haute résolution. Il s'agit d'utiliser un laser continu de faible largeur de raie (sub MHz), et à le balayer en fréquence. L'amplitude du battement hétérodyne à une fréquence donnée de ce laser avec le signal optique à analyser au cours de la rampe de fréquence fournit donc le spectre de ce dernier. Cependant, cette technique est coûteuse, nécessite un laser de référence, et possède une POI faible. Dans le domaine des signaux radiofréquence (RF), les solutions commerciales actuelles d’analyse spectrale de signaux RF sont de deux sortes : les analyseurs de spectre temps-réel, et les analyseurs à balayage. L’analyseur à balayage fonctionne en comparant (hétérodynage) le SUT (« signal under test ») avec un signal de référence dont on fait varier la fréquence au cours du temps (par exemple par une rampe de fréquence). Il permet de mesurer des largeurs spectrales supérieures à 20 GHz. Cependant, à cause de la durée de la rampe de fréquence, cette technique ne détecte, à un instant donné, qu’une très faible partie du spectre. Pour l’analyseur à balayage, le POI est typiquement de 1 %. Il n’est donc pas adapté à l’analyse de signaux brefs ou dont le spectre varie au cours du temps. Les analyseurs temps-réel combinent une étape d’acquisition du signal, appelée conversion analogique-numérique – et une étape de calcul numérique (transformée de Fourier). La première étape est particulièrement critique pour la fidélité du processus : il faut en effet échantillonner le SUT, deux fois plus rapidement que sa fréquence maximale (critère de Nyquist). Un taux d’échantillonnage trop faible se traduit donc par une perte de l’information des hautes fréquences du SUT. Or, la fréquence d’échantillonage des convertisseurs analogiques-numériques est intrinsèquement limitée à quelques Gech/s. Par conséquent, les meilleurs analyseurs de spectre en temps réel ne permettent pas d’atteindre des largeurs spectrales supérieures au GHz. Ils mobilisent par ailleurs des ressources informatiques très importantes pour effectuer le calcul du spectre en temps réel. Par ailleurs, le document « Hugues Guillet de Chatellus, Luis Romero Cortés, and José Azaña. "Optical real-time Fourier transformation with kilohertz resolutions." Optica 3.1 (2016): 1-8 », décrit un dispositif comprenant une boucle à décalage de fréquence dans laquelle on injecte un signal d’intérêt. Le dispositif décrit dans ce document permet de générer en sortie un signal temporel reproduisant le spectre du signal d’entrée, à condition que soit un entier avec la fréquence de décalage du signal d’intérêt par aller-retour dans la boucle et la durée d’un aller-retour du signal d’intérêt dans la boucle. La figure 1 représente schématiquement le dispositif décrit dans le document précité. Le dispositif comprend une source S0 générant un signal optique ou un signal RF porté par (c’est-à-dire modulé en amplitude par) un signal optique, de manière à former un signal d’intérêt. Par « porté par » on entend ici et dans la suite du document que le signal porteur est modulé en amplitude par le signal modulant. Ce signal d’intérêt est injecté dans la boucle à décalage de fréquence BDF0 fibrée par le biais d’un coupleur fibré C0. La boucle BDF0 comprend un décaleur de fréquence AOM0 (par exemple un modulateur acousto optique) adapté pour décaler la fréquence optique du signal d’une fréquence par aller-retour dans la boucle. La boucle BDF0 comprend de plus un amplificateur EDFA0 (par exemple un amplificateur à fibre dopé comme un EDFA, pour Erbium Doped Fiber Amplifier) pour compenser les pertes induites par la boucle et un filtre optique passe-bande BP0 pour limiter le bruit provenant de l’émission spontanée amplifiée de l’amplificateur et pour fixer le nombre d’aller-retour dans la boucle. Le rayonnement transmis par la boucle est détecté par une photodiode PD0 générant un photocourant qui est filtré par un filtre passe bas analogique LP0 adapté pour garder uniquement des fréquences du photocourant inférieures à la fréquence de Nyquist du signal d’intérêt. Un processeur UT est configuré pour calculer le module carré du photocourant. Lorsque est un entier, la trace temporelle obtenue après traitement du photocourant par le processeur est le spectre de puissance du signal optique dans le cas où le signal d’intérêt est un signal optique ou le spectre de puissance du signal RF dans le cas où le signal d’intérêt est un signal RF porté par un signal optique cohérent. Ce système présente des limitations technologiques importantes. Tout d’abord la largeur spectrale du signal d’intérêt doit être inférieure à (soit de l’ordre de 10 MHz), ce qui limite fortement les applications pratiques. Ici, il n’est pas possible d’augmenter de façon à atteindre une bande passante de l’ordre de la dizaine de GHz, à cause de la complexité et les pertes par propagation que cela entrainerait. L’autre contrainte est que la période du signal de sortie (le spectre) vaut , ce qui oblige à échantillonner le signal de sortie à , c’est-à-dire à quelques dizaines de Géch/s (en prenant = 300 et = 80 MHz). Par ailleurs, le dispositif de l’art antérieur de la figure 1 permet de calculer la transformée de Fourier fractionnaire d’un signal d’intérêt lorsque est proche d’un entier. Cette propriété est décrite dans le document : Côme Schnébelin and Hugues Guillet de Chatellus, "Agile photonic fractional Fourier transformation of optical and RF signals," Optica 4, 907-910 (2017). La transformée de Fourier fractionnaire (TFFr) est une généralisation de la transformée de Fourier (TF) à tout domaine intermédiaire (dit fractionnaire) entre l’espace direct et l’espace de Fourier. Cette transformation peut s’apparenter à une rotation dans le domaine temps-fréquence. En écrivant la transformation de Fourier classique d'une fonction sous la forme on peut généraliser cette écriture pour n'importe quel ordre fractionnaire . La Transformation de Fourier fractionnaire (TFFr) d'ordre α de sera donc : . La TFFr est pertinente pour analyser des signaux d’entrée dont la fréquence varie linéairement avec le temps (signaux à modulation linéaire de fréquence, ou « chirps »). Pour , on trouve l'opérateur identité et le résultat donnerait la fonction . Pour , on trouve la transformation de Fourier classique. Pour et avec la variable dans le domaine d'arrivée appelé domaine fractionnaire, la TFFr d’ordre α de la fonction peut s’exprimer sous la forme : L’invention vise à pallier certains des problèmes précités de l’art antérieur en proposant un dispositif d’analyse spectral d’un signal d’intérêt large bande mettant en œuvre deux cavités en décalage de fréquence D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement : La , une vue schématique d’un dispositif d’analyse spectrale de l’art antérieur, La , une vue schématique d’un dispositif d’analyse spectrale de large bande selon l’invention, La , une vue schématique d’un dispositif d’analyse spectrale large bande selon un premier mode de réalisation l’invention La , une vue schématique d’un dispositif d’analyse spectrale large bande selon un troisième mode de réalisation l’invention La , une vue schématique d’un dispositif d’analyse spectrale large bande selon un quatrième mode de réalisation l’invention La , méthode d’analyse spectrale selon l’invention Les références aux figures, quand elles sont identiques, correspondent aux mêmes éléments. Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle. Dispositif large bande d’analyse spectrale (D) d’un signal d’intérêt comprenant : une source (S) adaptée pour générer ledit signal d’intérêt (Si) ; un élément optique séparateur (ES) adapté pour séparer spatialement ledit signal d’intérêt en un premier signal (V1) et un deuxième signal (V2) ; une première cavité optique à décalage de fréquence (DBDF, BDF1) comprenant un premier décaleur de fréquence (AOM1) adapté pour décaler la fréquence optique du premier signal d’une première fréquence par aller-retour dans ladite première cavité, ladite première cavité présentant un premier temps de parcours ; une deuxième cavité optique à décalage de fréquence (DBDF, BDF2) comprenant un deuxième décaleur de fréquence (AOM2) adapté pour décaler la fréquence optique du deuxième signal d’une deuxième fréquence par aller-retour dans ladite deuxième cavité, ladite deuxième cavité présentant un deuxième temps de parcours ; la première et la deuxième cavité optique étant adaptées pour qu’un nombre maximal d’aller-retour dudit signal dans la première et la deuxième cavité soit égal à prédéterminé ; un détecteur (PD) adapté pour détecter de manière cohérente le premier signal (W1) transmis par la première cavité et le deuxième signal (W2) transmis par la deuxième cavité et générer un photocourant (Tr) proportionnel à une intensité lumineuse détectée par ledit détecteur, un filtre passe-bas (LP) adapté pour filtrer des fréquences du photocourant inférieures à un processeur (UT) configuré pour calculer un module carré du photocourant filtré par ledit filtre passe-bas, à partir duquel est déterminée une représentation temporelle d’une information fréquentielle dudit signal d’intérêt, ladite information fréquentielle étant : une partie réelle d’une transformée de Fourier fractionnaire dudit signal d’intérêt, un ordre de ladite transformée de Fourier fractionnaire étant fixé par la valeur lorsque la première cavité et la deuxième cavité sont configurées pour vérifier la condition modulo 1 ou un spectre de puissance dudit signal d’intérêt lorsque la première cavité et la deuxième cavité sont configurées pour vérifier la condition modulo 1. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite source comprend un laser continu (CW) monochromatique, une source RF (AM) adaptée pour générer un signal RF , et un modulateur (Mod) adapté pour moduler en amplitude ou en phase, par ledit signal RF , un rayonnement laser généré par ledit laser continu, de manière à former ledit signal d’intérêt. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le filtre passe-bas (LP) analogique est adapté pour filtrer des fréquences dudit photocourant inférieures à ]., lorsque la première cavité et la deuxième cavité sont configurées pour vérifier la condition modulo 1. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première et la deuxième cavité comprennent respectivement un premier et un deuxième amplificateur (EDFA, EDFA1, EDFA2) adaptés pour compenser les pertes induites respectivement par la première et la deuxième cavité. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier décaleur de fréquence est un premier modulateur acousto-optique excité par un premier oscillateur local (OL1) adapté pour faire varier ladite première fréquence de décalage et dans lequel le deuxième décaleur de fréquence est un deuxième modulateur acousto-optique excité par un deuxième oscillateur local (OL2) adapté pour faire varier ladite deuxième fréquence de décalage. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première cavité comprend une première ligne à retard (DL1) contrôlable et adaptée pour faire varier le premier temps de parcours et dans lequel la deuxième cavité comprend une deuxième ligne à retard (DL2) contrôlable et adaptée pour faire varier le deuxième temps de parcours . Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première et la deuxième cavité sont des cavités fibrées en anneau (BDF1, BDF2) comprenant respectivement un premier et un deuxième amplificateur à fibre dopé (EDFA1, EDFA2) et un premier et un deuxième filtres optiques passe-bande (BP1, BP2) configurés pour fixer ledit nombre maximal d’aller-retour dans la première et la deuxième cavité. Dispositif selon la revendication précédente, comprenant des moyens de stabilisation (ST) de la première et de la deuxième cavité adaptés pour maintenir au cours du temps la cohérence dudit premier signal transmis par la première cavité avec ledit deuxième signal transmis par la deuxième cavité. Dispositif selon la revendication 6, comprenant une cavité unique en anneau (BDF), ledit dispositif comprenant en outre : un premier coupleur (C1) adapté pour injecter ledit premier signal (V1) dans ladite cavité unique selon un premier sens, un deuxième coupleur (C2) adapté pour injecter ledit deuxième signal (V2) dans ladite cavité unique selon un deuxième sens, ladite première cavité correspondant à la cavité unique dans laquelle le premier signal est injecté selon le premier sens d’injection, ladite deuxième cavité correspondant à la cavité unique dans laquelle le deuxième signal est injecté selon le deuxième sens d’injection. ladite cavité unique en anneau comprenant : un premier circulateur (CO1) adapté pour diriger le premier signal vers une première ligne à retard (DL1) contrôlable et adaptée pour faire varier le premier temps de parcours et comprenant ledit premier décaleur de fréquence (AOM1), un deuxième circulateur (CO2) adapté pour diriger le deuxième signal vers une deuxième ligne à retard (DL2) contrôlable et adaptée pour faire varier le deuxième temps de parcours comprenant ledit deuxième décaleur de fréquence (AOM2), un amplificateur à fibre dopé (EDFA), un filtre optique passe bande (BP) configuré pour fixer ledit nombre maximal d’aller-retour, Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première et la deuxième cavité sont configurées pour que . Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première et la deuxième cavité sont configurés pour que soit supérieur à 200. Méthode d’analyse spectrale d’un signal d’intérêt (Si) utilisant une première cavité optique à décalage de fréquence (BDF1) comprenant un premier décaleur de fréquence (AOM1) présentant un premier temps de parcours et une deuxième cavité optique à décalage de fréquence (BDF2) comprenant un deuxième décaleur de fréquence (AOM2) présentant un deuxième temps de parcours , un nombre maximal d’aller-retour dudit signal d’intérêt dans la première et la deuxième cavité étant égal à N prédéterminé, ladite méthode comprenant les étapes suivantes : générer ledit signal d’intérêt ; séparer spatialement ledit signal d’intérêt en un premier signal (V1) et un deuxième signal (V2) ; injecter ledit premier signal dans la première cavité optique à décalage de fréquence (BDF1) et décaler la fréquence optique du premier signal d’une première fréquence f 1 par aller-retour dans ladite première cavité ; injecter ledit deuxième signal dans la deuxième cavité optique à décalage de fréquence (BDF2) et décaler la fréquence optique du deuxième signal d’une deuxième fréquence f 2 par aller-retour dans ladite deuxième cavité; détecter de manière cohérente le premier signal transmis par la première cavité (W1) et le deuxième signal transmis (W2) par la deuxième cavité et générer un photocourant (Tr) proportionnel à une intensité lumineuse détectée, filtrer des fréquences du photocourant inférieures à calculer un module carré du photocourant filtré et déterminer une représentation temporelle d’une information fréquentielle dudit signal d’intérêt, ladite méthode comprenant une étape antérieure à l’étape A, notée étape A0 consistant à : ajuster la première ou la deuxième cavité afin de fixer une différence sur une valeur non nulle souhaitée, afin de calculer, dans l’étape G, un ordre spécifique d’une partie réelle d’une transformée de Fourier fractionnaire du signal d’intérêt, ou ajuster la première ou la deuxième cavité afin d’annuler une différence , afin de calculer, dans l’étape G, un spectre de puissance dudit signal d’intérêt.