EP0536025B1 - Corrélateur de fréquences - Google Patents

Description

• L'invention concerne un corrélateur de fréquences et plus particulièrement un corrélateur de signaux électriques.
• L'invention est applicable notamment à un dispositif de traitement de l'information assurant la corrélation de signaux à très large bande - typiquement 1 à 20 GHz. Ce dispositif qui exploite les propriétés optiques non linéaires des fibres optiques monomodes (effet Kerr) est particulièrement bien adapté au traitement de signaux présentant une grande bande passante instantanée. Cette invention est basée sur une intégration spatiale des non linéarités optiques induites dans une fibre monomode. Elle peut être étendue à la réalisation de filtres programmables large bande.
• Le document Optical Engineering, vol.21, no.2, Mars 1982, Bellingham USA, pages 237 - 242, T.R.O'Meara et al, "Time-domain signal processing via four-wave mixing in non linear delay lines", divulgue des systèmes pour le traitement de signaux. Le corrélateur selon ce document est basé sur l'interaction à quatre ondes dans une plaque de matériau comportant une indice non linéaire du troisiéme ordre.
• L'invention concerne donc un corrélateur de fréquences caractérisé en ce qu'il comporte :
• une fibre optique monomode présentant une non linéarité optique du troisième ordre,possédant une première extrémité et une deuxième extrémité ;
• au moins une première source lumineuse émettant une première onde lumineuse cohérente ;
• un premier modulateur de lumière recevant une partie de la première onde lumineuse, la modulant sous la commande d'un premier signal de commande à corréler et transmettant cette première onde modulée à la première extrémité de la fibre optique ;
• un deuxième modulateur de lumière recevant une autre partie de la première onde lumineuse, le modulant sous la commanded'un deuxième signal de commande à corréler et transmettant cette deuxième onde modulée à la deuxième extrémité de la fibre optique ;
• une deuxième source lumineuse émettant un faisceau lumineux de lecture dans la fibre optique par l'une des extrémités, la première extrémité par exemple ;
• un détecteur d'intensité couplé à la même extrémité de la fibre que la deuxième source lumineuse, la première selon l'exemple pris.
• Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suire et dans les figures annexées qui représentent :
• les figures 1a et 1b, des exemples de réalisation simplifiés du dispositif de l'invention ;
• la figure 2, un schéma explicatif du dispositif de l'invention ;
• la figure 3, un mode de réalisation détaillé du dispositif de l'invention ;
• la figure 4, un exemple de réalisation détaillé du dispositif de l'invention ;
• la figure 5, une variante de réalisation détaillée du dispositif de l'invention.
• Les figures 1a et 1b représentent des schémas du dispositif de corrélation faisant l'objet de l'invention. Ce dispositif utilise une fibre monomode F1 présentant une non linéarité optique du 3ème ordre. C'est-à-dire une fibre dans laquelle une variation d'indice photoinduite est proportionnelle à l'intensité du champ optique dans le coeur de la fibre. Comme cela est représenté en figure 1a, la fibre F1 reçoit, par ses deux extrémités A1, A2, deux ondes optiques dont les champs optiques incidents sont perpendiculaires à l'axe de la fibre F1. Selon la figure 1b, deux signaux à corréler S₁(t) et S₂(t) sont transposés sur un faisceau optique de fréquence ω_o par l'intermédiaire de modulateurs d'intensité lumineuse à large bande M₁ et M₂. Ces modulateurs peuvent être réalisés en optique intégrée selon les techniques connues.
• Les faisceaux modulés E1 et E2 sont transmis aux extrémités A1 et A2 respectivement de la fibre.
• Les champs optiques à chaque extrémité de la fibre s'écrivent : $${\text{E}}_{\text{1}}\left(\text{t}\right){\text{= E}}_{\text{10}}\sqrt{{\text{S}}_{\text{1}}\left(\text{t}\right)}{\text{exp jω}}_{\text{o}}\text{t}$$

  

  $${\text{E}}_{\text{2}}\left(\text{t}\right){\text{= E}}_{\text{20}}\sqrt{{\text{S}}_{\text{2}}\left(\text{t}\right)}{\text{exp jω}}_{\text{o}}\text{t}$$

  
• En tout point de la fibre de coordonnée z, et à l'instant t, les expressions des champs E₁ et E₂ s'écrivent respectivement : $${\text{E}}_{\text{1}}\left(\text{z,t}\right){\text{= E}}_{\text{10}}\sqrt{\text{S (t-}\frac{\text{z}}{\text{v}}\text{)}}{\text{exp jω}}_{\text{o}}\text{(t-}\frac{\text{z}}{\text{v}}\text{)}$$

  

  

     où - v = C/n est la vitesse de la lumière dans la fibre
     - L est la longueur de la fibre.
• La variation d'indice en un point de coordonnée z est donnée à tout instant t par l'effet Kerr optique, soit :

  
• Les deux premiers termes de Δn, |E₁|² et |E₂|², conduisent à une modulation de Δn, proportionnelle à S₁(t-z/v) et S₂(t-(1-z)/v) dont le pas est celui de l'onde hyperfréquence (5 mm pour 20 GHz) très supérieur à celui produit par les termes croisés E₁ E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{2}}$

  

  et E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{1}}$

  

  E₂. La variation d'indice efficace est donc donnée par :

  
• Δn_eff(z,t) est donc un réseau d'indice stationnaire de période spatiale Λ = λ/2n dont l'amplitude est modulée par le terme produit :

  
• La fibre est donc le siège de variations d'indices photoinduites par l'interférence des signaux optiques modulés. Ces variations d'indices sont illustrées par la figure 2 où Δn(t,z) représente l'amplitude du réseau photoinduit et Λ représente la période spatiale du réseau d'indice photoinduit.
• Selon un exemple de réalisation les signaux S₁(t) et S₂(t) à corréler sont des signaux électriques et les modulateurs M₁, M₂ sont des modulateurs électrooptiques.
• La figure 3 représente la fibre optique F1 dans laquelle un réseau d'indices a été inscrit par l'interférence des champs optiques modulés transmis aux entrées A1 et A2. Un faisceau optique de lecture (E_L) est transmis à une entrée A1 de la fibre M. Cette transmission peut se faire à l'aide d'un miroir semi-réfléchissant MS. Le faisceau optique est réfléchi en partie par le réseau d'indice photoinduit. Le flux réfléchi E_d est renvoyé par le miroir MS vers un photodétecteur P.
• Le faisceau de lecture E_L a même longueur d'onde λ que les faisceaux modulés E₁ et E₂. Son intensité I_o est proportionnelle à E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{o}}$

  

  .
• Chaque portion élémentaire de fibre de longueur dz (pris égal à c/√εf_RF où f_RF est la fréquence max des signaux hyperfréquence) à l'abcisse z, conduit, à chaque instant t, à un coefficient de réflexion R déterminé en amplitude de l'onde de sonde E_o.
• La lecture doit être effectuée avec un laser dont la longueur de cohérence est égale à dz, de façon à ce que l'intégration sur la longueur totale de la fibre ait lieu en intensité. Cette longueur dz correspond à une longueur d'onde de cohérence égale à l'inverse de la valeur maximale des fréquences à traiter. Dans ce cas, la réflexion du faisceau de sonde, en intensité, est donnée par :

  

  Faire

  

  revient à faire : $$\begin{gathered} {\text{R(t) = ∫ S}}_{\text{1}}\text{(t-}\frac{\text{z}}{\text{v}}{\text{) S}}_{\text{2}}\text{(t-}\frac{\text{L-z}}{\text{v}}\text{) dz} \\ {\text{= ∫ S}}_{\text{1}}{\text{(t-t') S}}_{\text{2}}\text{(t-}\frac{\text{L}}{\text{v}}\text{+ t') dt'.v} \\ {\text{= ∫ S}}_{\text{2}}\text{(t'+ t-}\frac{\text{L}}{\text{v}}{\text{) S}}_{\text{1}}\text{(t-t') dt'v} \end{gathered}$$

  
• Ceci est le produit de corrélation à l'instant t des signaux S₂(t′) (retardé de L/v) et S₁(-t').
• Pour bien réaliser dans la fibre le produit de corrélation désiré il est nécessaire de retourner temporellement l'un des deux signaux (t' devient -t'), de manière analogue à ce qui est fait dans le cas d'un corrélateur acousto-optique à 2 cellules de Bragg.
• L'intensité de sonde rétrodiffusée, et donc le courant du photodétecteur, est directement proportionnelle au produit de corrélation des deux signaux S₁ et S₂.
• La figure 4 représente un exemple de réalisation détaillé du dispositif de l'invention.
• Ce dispositif comporte une source lumineuse L1 (laser) émettant un faisceau de lumière cohérente de longueur d'onde λ. Ce faisceau est transmis à deux modulateurs électrooptiques M1, M2 qui modulent la lumière reçue de la source L1, à l'aide de signaux électriques S₁(t) et S₂(t) à corréler. Les faisceaux modulés E1 et E2 sont transmis aux extrémités A1 et A2 de la fibre F1. Les deux faisceaux E1 et E2 interfèrent dans la fibre F1 et donnent lieu à création d'un ou plusieurs réseaux d'indice dans la fibre F1.
• Par ailleurs, une deuxième source lumineuse L2 émet un faisceau lumineux de même longueur d'onde λ mais de longueur de cohérence faible correspondant à l'inverse de la fréquence maximale à corréler. Ce faisceau est transmis par deux miroirs semi-réfléchissants MS1 et MS2 à l'entrée A1 de la fibre. Il est réfléchit par les réseaux d'indice photoinduits. Le ou les faisceaux réfléchis sont retransmis par les miroirs MS1 et MS2 vers un détecteur P d'intensité lumineuse qui identifie ainsi les pics de corrélation.
• Pour localiser dans le temps la position des pics de corrélation, une horloge de temps HT est mise en service à l'instant d'application des signaux S₁(t) et S₂(t) à corréler. Lors de la détection d'un pic de corrélation le détecteur P informe un circuit de traitement qui note la position de l'horloge de temps. Le système peut ainsi connaître la position de chaque pic de corrélation détecté par rapport au début des signaux S₁(t) et S₂(t) c'est-à-dire la position de chaque pic de corrélation à l'intérieur des signaux S₁(t) et S₂(t).
• A titre d'exemple de réalisation les modulateurs permettent une modulation très large bande (de 1 à 20 GHz par exemple) et peuvent être réalisés en optique intégrée. Un tel système permet une mise en mémoire d'impulsions de durée 5 µs sur une fibre de 1 km ce qui permet de corréler des signaux de durée 5 µs. Selon un autre exemple, sur 5 mètres de fibre on peut corréler des impulsions de 25 ns.
• A titre d'exemple, les composants utilisés peuvent être les suivants :
• Laser d'inscription L1 :
     Laser YAG pompé diodes monomode-monofréquence
  P_i = 200 mW - λ = 1,32 µm (ou λ = 1,55 µm - Laser DFB)
• Laser de lecture L2 :
     Laser YAG pompé diodes λ = 1,32 µm (ou λ = 1,55 µm - Laser DFB)
• Fibre optique monomode F1 :
     Coeur de silice φ_coeur - 5 µm
• Modulateurs M₁-M₂ :
     Modulateurs intégrés LiNbO₃ ou KTP (disponibles commercialement)
     Bande passante 0 → 20 GHz
• Moyens de couplage et de séparation spatiale des faisceaux (MS1, MS2)
     Coupleurs optique intégrée
     Coupleurs fibre monomode
• Effet non linéaire dans la fibre monomode SiO₂₀-GeO₂
  • . Densité de puissance dans la fibre φ_coeur = 5 µm
       I = 1 MW cm^-2
  • . Variation d'indice induite par effet Kerr
    • n = n_o + n₂ I
    • n₂ ∼ 10^-9 cm²/MW
    • Soit n = n_o + 10^-9 x I (MW/cm²)
• Réflectivité maximale : $${\text{R}}_{\text{max}}\text{=}{\left(\frac{{\text{n}}_{\text{2}}{\text{E}}_{\text{10}}{\text{E}}_{\text{20}}}{\text{2n}}\right)}^2\text{x}\frac{\text{L}}{\text{dz}}{\text{= 10}}^{\text{-4}}$$
  
  (pour 1 000 voies)
   dans laquelle L/dz représente le nombre de voies des signaux à corréler.
• La figure 5 représente un corrélateur large bande avec amplification des signaux optiques transmis à la fibre F1. De plus, le dispositif de la figure 5 comporte des éléments qui complètent l'invention.
• On retrouve, sur cette figure, le laser L1 qui émet un faisceau lumineux vers les modulateurs M1 et M2 lesquels transmettent des faisceaux modulés à la fibre F1.
• Un isolateur I1 interdit tout retour de la lumière vers la source L1.
• La transmission du faisceau émis par la source L1 aux modulateurs M1 et M2 se fait par un coupleur C1 réalisable en optique intégrée. Les faisceaux modulés par les modulateurs M1 et M2 sont amplifiés par des amplificateurs à fibres AF1 et AF2. Par exemple ces amplificateurs comprennent chacun une fibre dopée Erbium.
• Le laser de lecture L2 est couplé, au trajet optique du faisceau modulé par le modulateur M1, entre le modulateur M1 et l'amplificateur AF1 de façon à ce que le faisceau de lecture bénéficie de l'amplification par l'amplificateur AF1. Ce couplage se fait par un isolateur I2 et un coupleur C2 (en optique intégrée par exemple).
• Le détecteur P est couplé à l'accès A1 de la fibre F1 par un coupleur C3 (réalisable en optique intégrée). Bien que cela ne soit pas représenté, un amplificateur peut également être prévu entre le détecteur P et le coupleur C3.
• Ce dispositif permet d'effectuer de la modulation à bas niveaux, puis d'ajuster l'intensité optique au niveau nécessaire pour générer une variation d'indice suffisante par effet Kerr. Des gains d'amplifications de 20 à 30 dB pour 30 mètres de fibres sont réalisables dans les amplificateurs à fibre, par exemple dopés Erbium, à 1,55 µm.
• Le dispositif de l'invention permet une réalisation très compacte en utilisant les techniques d'optiques intégrées. De plus, les amplificateurs peuvent être réalisés en amplificateur à semiconducteurs.
• Le dispositif de l'invention peut également être appliqué à un filtre programmable.
• Il est en effet possible de générer optiquement un coefficient programmable sur chaque composante du produit $${\left|\text{R (z,dz,t)}\right|}^{\text{2}}{\text{α S}}_{\text{1}}\text{(t -}\frac{\text{l-z}}{\text{v}}{\text{) x S}}_{\text{2}}\text{(t -}\frac{\text{l-z}}{\text{v}}\text{)}$$

  

  afin de réaliser en sortie la fonction :

  
• Ceci est obtenu en modulant en amplitude le faisceau de lecture I_o de telle façon que : $$\text{a (z,t) =}{\left|\frac{\text{E}{\text{}}_{\text{o}}\text{(z,t)}}{\text{E}{\text{}}_{\text{o}}}\right|}^{\text{2}}$$

  
• Ainsi, un filtre large-bande (0-20 GHz) et programmable est réalisé.
• Cette réflectivité sur une longueur de fibre de 5 m permet d'utiliser un laser de sonde de longueur de cohérence 5 mm à 1,32 µm de quelques dizaines de mW.
• Le dispositif selon l'invention permet la corrélation de signaux de très large bande passante, ce qui le rend particulièrement bien adapté aux applications radars. Les caractéristiques spécifiques au dispositif sont rappelées ci-dessous :
• La non-linéarité est induite optiquement par effet Kerr dans une fibre optique monomode (temps de réponse de l'effet inférieur à 10^-12s).
• La corrélation des deux signaux s'effectue par intégration spatiale le long de la fibre de longueur L.
• La longueur de fibre est adaptée à la durée des deux signaux à traiter (L ≃ 2 c/n T).
• Les sources lasers utilisées sont du type monomode - à faible largeur de raie
     L_coh> 2L_fibre pour le laser modulé d'inscription
     L_coh = C/2nf_RF pour le laser de lecture
• Les signaux sont transférés sur l'onde optique par l'intermédiaire de modulateurs à large bande.
• Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Les exemples numériques et les exemples de matériaux ou de composants utilisés n'ont été fournis que pour illustrer la description.

Claims (6)

1. Corrélateur de fréquences caractérisé en ce qu'il comporte :

   - une fibre optique monomode (F1) présentant une non linéarité optique du troisième ordre, possédant une première extrémité (A1) et une deuxième extrémité (A2) ;

   - au moins une première source lumineuse (L1) émettant une première onde lumineuse cohérente ;

   - un premier modulateur de lumière (M1) recevant une partie de la première onde lumineuse, la modulant sous la commande d'un premier signal de commande à corréler (S₁t) et transmettant cette première onde modulée à la première extrémité de la fibre optique;

   - un deuxième modulateur de lumière (M2) recevant une autre partie de la première onde lumineuse, la modulant sous la commande d'un deuxième signal de commande à corréler (S₂t) et transmettant cette deuxième onde modulée à la deuxième extrémité de la fibre optique ;

   - une deuxième source lumineuse (L2) émettant un faisceau lumineux de lecture dans la fibre optique par l'une des extrémités, la première extrémité par exemple (A1) ;

   - un détecteur d'intensité (P) couplé à la même extrémité de la fibre que la deuxième source lumineuse, la première selon l'exemple pris (A1).
2. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième source lumineuse (L2) présente une largeur de cohérence sensiblement égale à l'inverse de la valeur maximale des fréquences des signaux à corréler.
3. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce la première onde lumineuse émise par la première source lumineuse (L1) a une longueur d'onde sensiblement égale à celle du faisceau de lecture émis par la deuxième source lumineuse (L2).
4. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une horloge de temps (HT) détectant les instants de réception des signaux à corréler (S₁t et S₂t) par les modulateurs (M1, M2) et donnant les instants de détection par le détecteur (P) de chaque pic de corrélation.
5. Corrélateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de traitement (CT) recevant de l'horloge de temps (HT) le temps de réception des signaux à corréler (S₁t et S₂t) et le temps de détection par le détecteur (P) de chaque pic de corrélation et calculant ainsi la position de temps de chaque pic de corrélation dans chaque signal à corréler.
6. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux à corréler (S₁t, S₂t) sont des signaux électriques et que les modulateurs (M1, M2) sont des modulateurs électrooptiques.

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