FR2528990A1 - Modulateur optique a commande electrique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE A LA MODULATION PERIODIQUE D'UN RAYONNEMENT OPTIQUE 1 AU MOYEN D'UN ORGANE MOBILE INTERAGISSANT AVEC CE RAYONNEMENT. L'INVENTION A POUR OBJET UN MODULATEUR DANS LEQUEL LE RAYONNEMENT INCIDENT 1 ET L'ORGANE MOBILE INTERAGISSENT DANS UNE ZONE DE RECOUPEMENT DES RAYONS CONCENTRES PAR UNE LENTILLE 2. L'ORGANE MOBILE EST CONSTITUE PAR LA PARTIE LIBRE D'UN RESONATEUR MECANIQUE 3. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT AU MARQUAGE EN FREQUENCE DES FAISCEAUX D'ENERGIE RAYONNEE.

Description

MODULATEUR OPTIQUE A COt1N1ANDE ELECTRIQUE
La présente invention se rapporte à la modulation périodique d'un rayonnement optique par un rnoyen modulateur à commande électrique. Elle concerne plus particulierement les dispositifs destinés à la modulation périodique de rayonnements optiques infrarouges, visibles ou ultraviolets.

Ces rayonnements proviennent de sources à émission continue telles que lasers, lampes à incandescence ou à décharge, diodes photoémissives, mais ils peuvent également provenir d'une source naturelle de faible diamètre apparent, telle que le soleil.

Lorsque la fréquence de modulation est relativement basse, il est connu d'utiliser un disque obturateur pour occulter périodiquement un faisceau lumineux. Ce disque comporte en général un ensemble de fentes radiales et est monté sur Paxe d'un moteur synchrone. On peut substituer au défilement des pales d'un obturateur rotatif, le déplacement alternatif d'une lame vibrante, mais compte tenu de l'amplitude vibratoire requise pour occulter alternativement le faisceau, on ne peut pas compter sur une fréquence de modulation élevée. Dès lors, pour moduler optiquement un faisceau à des fréquences nettement plus élevées, on s'adresse à des techniques de modulation basées sur la biréfringence électrique ou sur l'interaction d'un rayonnement optique avec un faisceau d'ultrasons.Ces techniques sont très développées actuellement, car elles permettent de donner à la modulation optique une forme qui respecte dans ses moindres détails les caractéristiques changeantes du signal électrique modulateur. Le choix de ces techniques est tout à fait justifié dans le cas de systèmes de transmission de données oU il est primordial d'assurer un fonctionnement à large bande quitte à accepter une solution complexe ou onéreuse pour moduler optiquement un rayonnement. Inversement, il existe des cas où la modulation optique périodique d'un faisceau peut bénéficier d'une réalisation sirnplifiée du fait que la forme de cette modulation est spécifiée à l'avance.

Dans un tel cas, l'invention propose d'exploiter le phénomène de résonance pour engendrer la modulation optique périodique d'un rayonnement. A cet effet, on associe à un système optique focalisateur un organe modulateur particulièrement simple à faire vibrer électriauement.

L'invention a pour objet un modulateur optique à commande électrique réalisant la modulation périodique d'un rayonnement incident au moyen d'un organe mobile éclairé par ledit rayonnement, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens optiques concentrant ledit rayonnement incident dans une zone de recoupement des rayons incidents où est confinée l'interaction avec la partie éclairée dudit organe mobile ; le déplacement sinusoidal dudit organe mobil étant produit par électrique en résonance d'un résonateur mécanique dont il constitue une partie libre ; la direction d'oscillation dudit organe mobile permettant de modifier ladite interaction.

L'invention sera rnieux comprise au rnoyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles:
- la figure l est une vue isométrique d'un modulateur optique à commande électrique selon l'invention
- la figure 2 est une portion agrandie de la figure 1
- la figure 3 est un schéma de boucle oscillatrice réalisée à partir d'un modulateur optique à résonance mécanique;
- la figure 4 illustre une variante de réalisation du modulateur optique selon l'invention ;
- la figure 5 est une autre variante de réalisation du modulateur optique selon l'invention ;
- la figure 6 est une portion agrandie de la figure 5
- la figure 7 est un diagramme explicatif.

Sur la figure 1, on peut voir un modulateur optique à commande électrique destiné à moduler périodiquement à une fréquence f prédéterminée un rayonnement incident 1, par exemple visible. A cet effet, le rayonnement incident 1 est concentré au foyer O d'une lentille sphérique convergente 2 d'axe optique z. Le cône lumineux qui émerge de la lentille 2 présente une section circulaire 12 d'autant plus petite que l'on se rapproche du foyer ponctuel O. La dimension minimale de la tache lumineuse se produit au foyer et dépend des caractéristiques de la source du rayonnement i, de l'éloignement de celle-ci et de la distance focale de la lentille 2.Audelà du foyer O, la section l l du faisceau s'élargit jusqu'à la dimension d'une lentille sphérique collectrice 8 qui recueille le rayonnement ayant interagi dans la zone de recoupement des rayons incidents. La zone de recoupement en question est délimitée axialement par les sections Il et-12 et radialement par une enveloppe latérale de forme biconique dont la section méridienne a été représentée à grande échelle sur la figure 2. La lentille 8 peut avantageusement former avec la lentille 2 un système optique afocal qui en recevant un faisceau collimaté l délivre un faisceau modulé 9 également collimaté. Ce choix n'est nullement limitatif, car la collecte du rayonnement modulé peut se faire également en dehors du cône de lumière qui a pour base la pupille de l'une ou l'autre des lentilles 2 et 8.Conformément à l'invention, la modulation périodique du rayonnement résulte de l'interaction dans la zone de recoupement des rayons concentrés par la lentille 2 avec un organe mobile animé dtun mouvement sinusoidal à la fréquence f qui vient empièter plus ou moins à l'intérieur de l'enveloppe de la zone de recoupement. Les dimensions axiale et radiale de la zone de recoupement peuvent être très petites, de quelques microns à quelques dizaines de microns de sorte qu'il suffit d'un petit déplacement alternatif de l'organe mobile pour couvrir une plage de modulation allant de la libre circulation du rayonnement à son interruption complète.

Conformément à l'invention, ce déplacement alternatif est obtenu à des fréquences pouvant atteindre quelques dizaines, voire quelques centaines de kilohertz en mettant en oeuvre un résonateur mécanique à coefficient de qualité élevé. Sur la figure 1, l'organe mobile qui réalise la modulation du rayonnement est tout simplement constitué par l'arête en dièdre formant l'extrémité d'une lamelle 3 taillée dans un matériau piézoélectrique. Des électrodes 4 et 5 sont formées sur les grandes faces de la lamelle 3 qui est supportée en un point nodal par des connexions électriques 6 et 7 traversant un support isolant 19. L'ensemble des éléments 3, 4, 5, 6, 7, 19 n'est rien d'autre que ce qu'il est convenu d'appeler vulgairement un "quartz". Les applications les plus répandues de ce composant sont le pilotage des oscillateurs et la réalisation de filtres à sélectivité élevée. En termes plus précis, l'ensemble qui interagit avec le rayonnement est un résonateur mécanique piézoélectrique commandé par le génerateur alternatif 10. Pour fixer les idées, la lamelle 3 peut être constituée par une lame en quartz mesurant 38 millimètres de long, 4,3 millimètres de large et l mm d'épaisseur taillé selon une coupe X + 50 et équipé d'électrodes en or 4 et 5.

Un tel résonateur fonctionne en mode vibratoire extensionnel à une fréquence de l'ordre de 70 kHz avec un facteur de qualité Q = 38 000. En appliquant aux bornes 6 et 7 une tension alternative d'excitation de 5 Volts, on peut moduler complètement un faisceau produit par un laser helium-néon.

La modulation appliquée au faisceau constitue un - marquage en fréquence dont la précision et la stabilité sont liées aux caractéristiques du résonateur mécanique utilisé. Ce marquage en fréquence trouve des applications dans le domaine de la mesure des distances, dans les mesures optiques faisant intervenir l'effet Doppler, dans le multiplexage en fréquence et dans la réalisation d'oscillateurs opto-électriques. Avant de décrire un tel oscillateur, on peut faire plusieurs remarques concernant les modalités pratiques de réalisation. Ainsi, il n'est pas indispensable de tailler le résonateur mécanique dans un matériau piézoélectrique, car on peut concevoir que l'excitation soit produite par un transducteur électromécanique convenablement couplé à une structure résonante de silice ou d'acier.Comme le montre la figure 2, l'arête qui interagit avec le rayonnement dans la zone de recoupement peut épouser la forme d'un dièdre droit comportant une facette 15 perpendiculaire à l'axe 13 selon lequel a lieu la vibration de la lamelle 3 et une facette 14 confondue avec la face portant l'électrode 4. Les positions extrêmes de la facette 15 sont représentées par les traits interrompus 16 et 17. On voit que les rayons sont coupés successivement par la facette 14 lorsqu'elle passe de la position 17 à la position 16. A l'alternance suivante, la facette 14 s'efface de -sorte que la modulation optique se fait à la fréquence d'oscillation de la lamelle résonateur 3. Si la facette 14 est réfléchissante au lieu d'être simplement opaque et absorbante, le rayonnement intercepté est réfléchi dans l'angle solide 18.On peut donc collecter un- rayonnement modulé dans cet angle solide. L'orientation du résonateur sur la figure 2 consiste à placer le dièdre à l'intérieur de l'angle solide extérieur de l'enveloppe des rayons marginaux, ce qui a pour effet de couper obliquement le rayon central du faisceau. Cette disposition permet un renvoi latéral du rayonnement réfléchi 18 sans rencontrer les limites entre lesquelles se situent les rayons échangés entre les lentilles 2 et 8. On peut également supposer que la vibration corresponde au mode vibratoire de flexion qui déplace l'arête de coupure perpendiculairement à l'axe 13 de la lamelle 3.

Dans le mode extensionnel, on peut également placer la lamelle 3 de façon que son axe 13 soit perpendiculaire à l'axe Z. Dans ce cas, il est avantageux de tailler en couteau l'extrémité de la lamelle 3 avec deux pentes plus inclinées que les rayons marginaux 1 et 9 de façon à réaliser l'interception du faisceau dans sa section la plus étroite. Si Pon n'adopte pas cette disposition et si la facette 15 de la lamelle 3 est plane et perpendiculaire à l'axe 13, I'interruption du faisceau est complète dès que la facette 15, supposée absorbante, atteint l'axe Z.

Sur la figure 3, on peut voir une boucle oscillatrice constituée d'un modulateur optique cornprenant les éléments déjà décrits 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 19. Le rayonnement 1 à moduler est produit par une source 20 telle qu'un laser hélium-néon. Le rayonnement modulé 9 est repris par une lentille 21 qui le concentre sur un transducteur photo-électrique 22. Le transducteur 22 alimente l'entrée d'un amplificateur à gain réglable 23. La sortie de l'amplificateur 23 est reliée par la masse M à la connexion 7 et par une autre liaison à la connexion 6, ce qui ferme la boucle oscillatrice. Sur la figure 3, on a supposé que la lamelle 3 est perméable au rayonnement émis par la source 20 et qu'elle fonctionne selon le mode extensionnel ou un mode de cisaillement dans le plan de ses faces principales.Pour réaliser une interaction modulatrice, une pastille opaque peut être placée sur l'une des faces principales de la lamelle 3 afin qu'à la résonance elle empiète plus ou moins fort avec la zone de recoupement des rayons issus de la lentille 2. En réglant le gain de l'amplificateur 23 et la position de la lamelle 3 par rapport à la lentille 2, la boucle se met à osciller à la fréquence de résonance f de la lamelle. On dispose d'une tension alternative à la sortie de l'amplificateur 23 et on peut prélever un rayonnement optique modulé en intercalant une lame de prélèvement entre la lentille 8 et la lentille 21.

Dans ce qui précède, on a supposé implicitement avoir affaire à une zone de recoupement des rayons qui présente la symétrie de révolution autour de l'axe Z. Comme le montre la figure 4, on peut également utiliser des lentilles cylindriques 2 et 8 pour créer une ligne focale de direction X.

Dans ce cas, le résonateur mécanique 3 peut fonctionner en mode extensionnel selon la direction Y. L'élément intercepteur 24 qui se déplace dans le plan X Y est une arête de couteau dont le tranchant est légèrement oblique par rapport à la ligne focale où se concentre le rayonnement à moduler.

Cette disposition est avantageuse, car elle permet de linéariser l'interaction entre le faisceau à moduler et l'organe mobile qui l'intercepte sur une partie plus ou moins large lorsque l'oscillation a lieu selon la direction Y.
L'enveloppe de modulation du rayonnement dépend de la forme donnée à la zone de recoupement des rayons et des caractéristiques de déplacement de l'organe mobile qui interagit dans cette zone. On peut, comme l'illustre la figure 4, définir une interaction plus progressive que lorsque le foyer - de convergence est ponctuel. il est également possible de prévoir entre les lentilles 2 et 8 un filtre spatial à densité optique variable qui permet de pondérer zone par zone la transmission du rayonnement pour influencer la forme de la modulation obtenue.

flien que la fréquence de modulation soit le plus souvent égale à la fréquence naturelle d'oscillation du résonateur mécanique, on peut également obtenir une fréquence de modulation doublée.

La figure 5 représente un modulateur optique qui fonctionne par reflexion et qui utilise un résonateur fonctionnant en mode de flexion.

Le résonateur se compose par exemple d'un barreau 3 de quartz de coupe X ayant une section carrée de 3 x 3 mm2 et une longueur de 30 mm.

Ce barreau est suspendu aux points nodaux N, N et porte sur deux faces latérales opposées des électrodes 25 et 26 qui créent des champs électriques excitateurs de sens contraires respectivement dans les moitiés supérieure et inférieure du barreau. La déformée en flexion est représentée par le contour pointillé 27. La face terminale 30 est une face réflectrice munie d'une irrégùlarité de surface 31 mieux visible sur la figure 6 qui est un agrandis sementpartiel de la figure 5. Le rayonnement à moduler P. traverse une lame semi-transparente 28 et est focalisé par une lentille 2 sur la face terminale 30. Lorsque le- résonateur 3 ne vibre pas, le faisceau 1 qui émerge de la lentille 2 fbrme une tache lumineuse sur la face 30, qui recouvre l'irrégularité de surface 31 en forme de cuvette. L'interaction qui résulte de cet accident de surface tend à rétrodiffuser le rayonnement incident dans des directions 29 qui s'écartent des directions d'incidence contenues dans le cône 1. La fraction de rayonnement P récupérée par la lentille 2 et
o réfléchie par la lame semi-transparente est faible. Sur les diagrammes de la figure 7, la courbe 32 représente -I'oscillation de la face 30. Lorsque l'amplitude d'oscillation Ay passe par zéro, on voit que la courbe 33 qui représente la puissance optique émergente PO passe par un minimum. Par contre, lorsque la face 30 vibre, I'irrégularité de surface 31 se déplace de sorte que le faisceau 1 est renvoyé vers la lentille 2 par une partie lisse de la face 30.Ce renvoi du rayonnement sans dispersion angulaire fournit un maximum de puissance P aux instants t qui correspondent au milieu de
o chaque alternance de la courbe 32. On voit donc sur la figure 7 que la fréquence de modulation du rayonnement optique est le double de la fréquence d'oscillation du résonateur 3. Avec les données numériques mentionnées ci-dessus, la fréquence de résonance peut être de l'ordre de 16 kHz, ce qui donne une fréquence de modulation optique de 32 kHz.

Les exemples décrits précédemment permettent d'envisager d'autres variantes de réalisation.

Ainsi, la boucle oscillatrice de la figure 3 peut être modifiée en substituant au transducteur 22 un résonateur mécanique identique à celui qui comprend la lamelle 3 et les électrodes 4 et 5. Ce deuxième résonateur voit sa résonance excitée par l'action locale du faisceau issu de la lentille 21. Il délivre donc une tension électrique alternative capable de commander l'amplificateur 23. L'oscillation de la boucle se produit lorsque les deux résonateurs ont la même fréquence d'accord. Le fonctionnement d'un résonateur mécanique est décrit dans la publication Electronics Letters du 29 Avril 1982, Vol. 18, N" 9, pp 381-382, article de E. DIEULESAINT, D.

ROYER et H. RAKOUTH, intitulé "OPTICAL EXCITATION OF QUARTZ
RESONATORS".

Le schéma de la figure 4 peut être modifié lorsquela source de rayonnement est une lampe à incandescence à filament rectiligne. Dans ce cas, on peut former avec une lentille sphérique 2 l'image du filament selon l'axe x, ce qui conduit au même fonctionnement en ce qui concerne la modulation optique par le résonateur 3.

Le schéma de la figure 5 peut être modifié pour moduler le rayonnement émis par le soleil. Dans ce cas, la lentille 2 forme sur la face 30
I'image du disque solaire qui vient recouvrir une pastille absorbante 31 ayant le même diamètre. Lorsque le résonateur 3 oscille l'image du soleil tombe sur la partie réfléchissanté de la face 30 ce qui augmente la puissance émergente PO.

Grace au coefficient de qualité élevé des résonateurs mécaniques on peut moduler efficacement à des fréquences de plusieurs centaines de kiloHertz des faisceaux convenablement focalisés. Cette haute sélectivité rend le résonateur particulièrement inerte à toute excitation qu'il pourrait subir en dehors de sa fréquence d'accord.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Modulateur optique à commande électrique réalisant la modulation périodique d'un rayonnement incident (1) au moyen d'un organe mobile éclairé par ledit rayonnement, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens optiques (2) concentrant ledit rayonnement incident dans une Zone (Il, 12) de recoupement des rayons incidents où est confinée l'interaction avec la partie éclairée dudit organe mobile ; le déplacement sinusoïdal (32) dudit organe mobile étant produit par l'excitation électrique en résonance d'un résonateur mécanique (3, 4, 5) dont il constitue une partie libre; la direction d'oscillation dudit organe mobile modifiant ladite interaction.

2. Modulateur selon la revendication I, caractérisé en ce que ledit résonateur mécanique est constitué par une lamelle de matériau piézoélectrique (3) dont les faces principales sont munies d'électrodes (4, 5).

3. Modulateur selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce que ledit organe mobile est un dièdre à deux facettes (14, 15) formant l'extrémité dudit résonateur mécanique; les rayons marginaux délimitant ladite zone de recoupement formant un angle extérieur contenant ledit dièdre.

4. Modulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'une des facettes (14) dudit dièdre est une facette réfléchissante renvoyant le rayonnement incident dans une direction (18) extérieure à la zone de recoupement (11, 12).

5. Modulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rayonnement qui a interagi avec l'organe mobile est recueilli par une lentille (8, 2).

6. Modulateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit organe mobile est une facette réfléchissante (30) vibrant dans son plan et comportant une irrégularité de surface (31) assurant la rétrodiffusion du rayonnement incident dans un angle solide plus ouvert.

7. Modulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la section la plus étroite de la zone de recoupement est circulaire.

8. Modulateur selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en ce que la section la plus étroite de la zone de recoupement est filamentaire.

9. Modulateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit organe mobile est un couteau -dont le tranchant (24) rencontre obliquement ladite zone filamentaire.

10. Boucle oscillatrice opto-électrique comprenant une source de rayonnement (20) et des moyens électriques amplificateurs (23) reliés -à un modulateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que au moins une fraction de rayonnement modulé qui émerge dudit modulateur optique est recueillie par un transducteur photoélectrique (22) relié à l'entrée desdits moyens électriques amplificateurs (23).