FR2680248A1 - Procede et systeme de mesure de signaux electrique a haute frequence par effet electro-optique. - Google Patents
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Abstract
Le système comprend deux sources lasers (30, 40). Une première source laser (30) émet un premier faisceau lumineux (L1) qui est modulé en amplitude par un signal à mesurer (V) caractérisé par des fréquences proches du gigahertz. Une seconde source laser (40) émet un second faisceau lumineux qui est combiné avec ledit faisceau lumineux modulé pour produire une onde de mesure caractérisant le signal à mesurer. Le battement (nu1 - nu2 ) entre les deux fréquences des deux sources laser (30, 40) est contrôlé pour transposer l'onde de mesure dans un domaine de fréquence très inférieur au gigahertz.
Description
1 - Procédé et système de mesure de signaux électriques à haute fréquence
par effet électro-optique La présente invention concerne de manière générale la mesure de signaux électriques à haute fréquence et large bande de fréquence, par
effet électro-optique.
Avec l'avènement des photodétecteurs, des commutateurs photoconducteurs et d'autres dispositifs électriques ultra-rapides, le besoin d'un système de mesure capable de caractériser des signaux électriques avec une résolution de l'ordre de la picoseconde s'est
fait sentir.
Dans le passé, de telles mesures étaient réalisées à l'aide d'oscil-
loscopes à échantillonnage de résolution limitée à environ 25 picosecondes Depuis, l'utilisation de l'effet électro-optique a amené des évolutions considérables dans la caractérisation d'un signal électrique avec des résolutions de l'ordre de la picoseconde par une technique d'échantillonnage Cette nouvelle technique d'échantillonnage électro-optique d'un signal électrique, par exemple au moyen d'une cellule de Pockels éclairée par des impulsions laser ultra-brèves, s'est continuellement perfectionnée mais présente
néanmoins de nombreux inconvénients.
Des systèmes de mesure basés sur l'échantillonnage temporel nécessite une source laser à impulsions courtes très encombrante ( 1, 50 m) et coûteuse De plus, pour faire des mesures de signaux électriques par procédé stroboscopique tel que décrit dans "Electronics Letters 24, p 266, 1990 S Loualiche, F Clerot, G Audibert", la source laser utilisée doit être à blocage actif de modes et les impulsions
générées ont alors souvent une période supérieure à 30 picosecondes.
Il est alors nécessaire d'utiliser un compresseur d'impulsions pour effectivement obtenir des périodes d'impulsions de l'ordre de la picoseconde Ces appareils sont toutefois difficiles à régler et
introduisent des problèmes de bruit supplémentaires.
En outre, l'échantillonnage par impulsions optiques d'un signal électrique utilisant un procédé stroboscopique consistant en l'échantillonnage de la totalité du profil dudit signal électrique nécessite une fluctuation en largeur de l'impulsion laser (gigue) de l'ordre de la picoseconde Or, ceci n'est généralement pas le cas dans les sources lasers à blocage actif de modes o celle-ci avoisine les picosecondes Cette gigue oblige, pour la mesure, à utiliser une boucle de stabilisation de phase qui augmente la complexité du système
et rend plus difficile (réglage) et plus coûteux son usage.
La présente invention vise principalement à remédier aux inconvénients précités selon la technique antérieure et particulièrement à faciliter la mesure de signaux électriques à fréquence élevée et large bande dans le domaine fréquentiel, toujours
en utilisant l'effet électro-optique.
A cette fin, un procédé de mesure électrique comprenant une émission d'une première onde lumineuse monochromatique polarisée rectilignement à une première fréquence, une modulation en amplitude de ladite première onde lumineuse par le signal électrique en une onde lumineuse modulée en amplitude présentant deux bandes latérales de fréquence représentatives du spectre de fréquence du signal à mesurer, un filtrage de composantes fréquentielles de l'onde lumineuse modulée en amplitude est caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une émission d'une seconde onde lumineuse monochromatique à une seconde fréquence qui est polarisée rectilignement et parallèlement à la première onde lumineuse, une combinaison de première et seconde ondes lumineuses en une onde de contrôle, un contrôle de la différence entre les première et seconde fréquences dans l'onde de contrôle afin que, par ajustement de l'une des première et seconde fréquences, cette dernière avoisine sensiblement l'une des deux bandes latérales de fréquence relatives à ladite onde lumineuse modulée en amplitude, une combinaison des composantes fréquentielles de l'onde modulée en amplitude et de la seconde onde lumineuse en une onde lumineuse de mesure, et une détection de l'onde de mesure dans une gamme de fréquence 3 -
sensiblement égale à la largeur de bande du signal électrique.
La seconde onde polarisée sert à la démodulation cohérente de l'onde modulée en amplitude, afin que la bande de fréquence de l'onde de mesure soit comprise dans une gamme de fréquence inférieure à la fréquence porteuse ou centrale du signal électrique à mesurer La combinaison des composantes fréquentielles de l'onde modulée et de la
seconde onde polarisée est équivalente à une transposition de fréquence.
La bande de fréquence du signal électrique ainsi transposée peut être ainsi plus efficacement traitée et visualisée, suite à la détection de l'onde de mesure Pour obtenir la transposition de fréquence, la source laser émettant l'une des première et seconde ondes monochromatiques est une source laser à fréquence ajustable afin que la différence de fréquence des deux ondes monochromatiques contrôlée dans l'onde de mesure soit aussi proche que possible des fréquences du signal électrique Dans ces conditions, la mesure des caractéristiques de phase et fréquence du signal électrique s'effectue dans une gamme de fréquence bien inférieure à la bande de fréquence
réelle du signal.
Selon l'invention, un système de mesure de signal électrique comprenant des moyens pour émettre une première onde lumineuse monochromatique, des premiers moyens pour polariser rectilignement ladite première onde lumineuse en une première onde lumineuse polarisée, des moyens pour moduler ladite première onde lumineuse polarisée par le signal électrique en une onde lumineuse modulée en amplitude, des moyens de filtrage accordables en fréquence recevant l'onde lumineuse modulée pour délivrer différentes composantes fréquentielles lumineuses représentatives du spectre de fréquence du signal électrique est caractérisé en ce que les premiers moyens pour polariser polarisent successivement la première onde monochromatique en des première et seconde ondes lumineuses polarisées rectilignes ayant des polarisations différentes, et le système de mesure comprend des moyens pour émettre une seconde onde lumineuse 4 monochromatique ayant une fréquence différente de la fréquence de la première onde émise, des seconds moyens pour polariser successivement la seconde onde monochromatique en des troisième et quatrième ondes lumineuses polarisées rectilignes ayant des polarisations différentes, des premiers moyens pour combiner les première et troisième ondes polarisées en une onde lumineuse de contrôle, des moyens pour analyser l'onde de contrôle afin de déduire la différence des fréquences des première et troisième ondes monochromatiques, des seconds moyens pour combiner les composantes fréquentielles lumineuses et la quatrième onde polarisée en une onde lumineuse de mesure, et des moyens pour détecter l'onde de mesure afin d'analyser les caractéristiques de phase et fréquence du signal électrique dans une gamme de fréquence sensiblement égale à la largeur de bande du signal électrique. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention
apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante
en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels: la Fig 1 montre un dispositif de mesure d'un signal électrique utilisant la technique d'échantillonnage électro-optique selon la technique antérieure; la Fig 2 montre un système de mesure pour l'analyse fréquentielle d'un signal électrique selon la technique antérieure; la Fig 3 montre un système de mesure d'un signal électrique par effet électro-optique selon l'invention; la Fig 4 est une représentation fréquentielle pour exposer le principe de mesure selon l'invention; la Fig 5 montre un dispositif optique inclus dans le système de mesure selon l'invention; et
la Fig 6 est un diagramme de phase.
En référence à la Fig 1, une réalisation d'un dispositif 1 pour -5mesurer un signal électrique par technique d'échantillonnage électrooptique comprend essentiellement, selon le US-A-4618819, une source laser 10, une cellule de Pockels appelée cellule électro-optique d'échantillonnage 11, un hâcheur de lumière 12, une ligne à retard optique commandée 13, un polariseur 15, un compensateur du type lame quart d'onde 16, un dispositif de détection différentiel 17 et un dispositif de visualisation du signal 18 La source laser à modes bloqués 10 génère un faisceau d'impulsions lumineuses, par exemple de femtosecondes (fs) à 100 M Hz qui est scindé en deux faisceaux lumineux distincts suivant deux axes de propagation respectifs au moyen
d'une disposition géométrique de miroirs 19.
Un premier faisceau lumineux est appliqué, à travers le hacheur de lumière 12 et la ligne à retard optique 13, à une entrée de déclenchement ED d'une source 14 générant le signal électrique à analyser et mesurer V Sur des niveaux hauts des impulsions lumineuses déclenchant la source 14, le signal électrique à mesurer V est appliqué à une électrode 110 sous la forme d'un ruban métallique fixé sur une face de la cellule de Pockels 11 dont l'autre face est métallisée et portée à une tension de référence Le signal V produit dans la cellule
de Pockels Il un champ électrique E perpendiculaire à l'électrode.
Un second faisceau lumineux est appliqué à une seconde face de la cellule de Pockels 11 normale aux faces métallisées à travers le polariseur 15 et échantillonne en synchronisme le champ électrique inconnu E qui se propage dans la cellule 11 Par utilisation de l'effet Pockels consistant en la modification des indices de réfraction du cristal de la cellule 11, les impulsions lumineuses du second faisceau lumineux sont modulées par le champ électrique se propageant dans le cristal Ceci se traduit par un échantillonnage du champ électrique, le second faisceau lumineux étant composé d'impulsions Le faisceau lumineux modulé résultant de l'échantillonnage traverse le compensateur optique 16 pour être appliqué sur une face d'un analyseur 171 dans le dispositif de détection différentiel 17 comprenant en outre deux détecteurs 172 a et 172 b et un amplificateur différentiel 173 De manière connue dans les dispositifs de modulation utilisant l'effet Pockels, le compensateur 16 permet de linéariser la réponse de modulation de
la cellule 11.
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L'analyseur 171 sépare les deux composantes en quadrature du faisceau lumineux modulé qui sont converties dans les deux détecteurs 172 a et 172 b en deux courants représentatifs des intensités desdites composantes et appliquées aux entrées de l'amplificateur différentiel
173.
Ce dispositif différentiel a l'avantage d'être plus sensible à la
mesure et également moins sensible aux fluctuations lasers.
Un signal différentiel à la sortie de l'amplificateur différentiel 173 est appliqué à une entrée du dispositif de visualisation du signal 18 comprenant un moyenneur de signal 181 et un oscilloscope de visualisation 182 Le moyenneur 181 lisse le signal différentiel qui est ensuite appliqué à une entrée de l'oscilloscope 182 afin d'être
visualisé sur un écran de visualisation dudit oscilloscope.
Dans un tel dispositif de mesure, la "reconstitution" du signal à mesurer est réalisée par commande de la ligne à retard optique commandée 13 En effet, en induisant un temps de retard variable dans la propagation des impulsions du premier faisceau lumineux déclenchant la source 14, il est possible d'échantillonner la totalité du profil du signal électrique à mesurer V, puis de la visualiser, ici au moyen de l'oscilloscope 182, avec en abscisse, un temps équivalent proportionnel à l'accroissement du temps de retard induit par la ligne
optique 13, et en ordonnée, l'amplitude du signal lissé.
Les applications de la technique d'échantillonnage électro-optique ne sont pas limitées à la mesure d'un signal électrique et une liste non exhaustive des applications comprendraient par exemple: la caractérisation des propriétés électriques de dispositifs électroniques, la caractérisation des propriétés de transmission dans les connecteurs et câbles,
la mesure de constantes diélectriques.
D'autres réalisations de dispositif de mesure d'un signal électrique utilisant la technique d'échantillonnage électro-optique existent selon la technique antérieure telles que celles décrites par exemple à la page 427 du livre de Amnon Yarin, intitulé "Introduction 7 - to Optical Electronics" et édité par HOLT, RINEHART & WINSTON, NEW-YORK, 1976 " Tous ces dispositifs de mesure sont basés sur cette technique d'échantillonnage, et sont limités dans leurs utilisations par les
inconvénients cités dans le préambule de la description.
La présente invention est fondée non pas sur la technique d'échantillonnage électro-optique mais sur une technique d'analyse fréquentielle déjà mise en oeuvre dans un système de mesure divulgué dans la FR-A-2634560 Un mode de réalisation d'un système de mesure selon la demande précitée est montré à la Fig 2 Il comprend essentiellement une source laser 21, un modulateur électro-optique 22, et un dispositif de spectroscopie 23 La source laser 21 est de type monochromatique à émission continue et non pas impulsionnelle, et à très faible largeur de raie La source laser 21 est par exemple de
type ionique Hélium-Néon (He Ne).
Le modulateur électro-optique 22 est une cellule de Pockels comprenant un polariseur 221, un compensateur 222, un cristal ayant une propriété électro-optique 223 et un polariseur-analyseur 224 Le polariseur 221 est par exemple constitué de prismes de GLAN ou de NICOLL Il reçoit l'onde lumineuse transmise par la source laser 21 et fournit une onde lumineuse polarisée rectilignement Cette onde lumineuse polarisée est appliquée à travers le compensateur 222 à une première face du cristal 223 Le compensateur 222 est de type quart d'onde et a pour fonction d'introduire un retard de phase de il/2 dans l'onde lumineuse polarisée afin de polariser le modulateur 22 dans une
partie linéaire de sa courbe de réponse.
Le cristal électro-optique 223, par exemple constitué d'un cristal d'ADP ((NH 4 > H 2 P 04), comprend sur deux faces perpendiculaires à la face recevant l'onde lumineuse polarisée, deux rubans conducteurs respectifs aux bornes desquels est appliqué un signal électrique à mesurer V Le signal électrique V produit dans le cristal 223 un champ électrique E perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde lumineuse polarisée Une onde lumineuse modulée en amplitude en fonction du signal électrique V est produite par le crital 223 pour être appliquée sur une face du polariseur-analyseur 224 qui fournit une onde lumineuse LA modulée en amplitude et dont la polarisation est croisée par rapport 8 - à celle de l'onde lumineuse issue du polariseur 221 En désignant par ILA l'intensité de l'onde lumineuse LA modulée en amplitude issue du polariseur-analyseur 224, la relation de modulation s'écrit, en orientant convenablement le polariseur 221 par rapport au cristal 223 ILA = (ILO/2) (l + sin (n V/V,,) dans laquelle ILO est l'intensité maximale de l'onde lumineuse incidente produite par la source laser 21, V, est une constante dépendant des caractéristiques du cristal électro-optique 223 et de la longueur
d'onde de l'onde lumineuse incidente.
L'onde lumineuse modulée LA est appliquée au dispositif de spectroscopie 223 constitué d'un interféromètre de FABRY-PEROT à balayage 231, un détecteur optique à photodiode 232 et un oscilloscope 233 L'onde lumineuse modulée est injectée dans une cavité accordable de l'interféromètre 231 qui, sous la commande d'un signal de rampe généré par un générateur à balayage, est successivement accordée à différentes fréquences d'un domaine de fréquence à explorer La cavité délivre des composantes lumineuses fréquentielles correspondantes qui sont reçues par une photodiode du détecteur optique 233 A partir d'un courant délivré par la photodiode, le détecteur 233 produit un signal d'intensité proportionnel aux intensités des différentes composantes fréquentielles du signal à mesurer V Le signal de rampe et le signal d'intensité sont appliqués à des entrées de l'oscilloscope 232 afin de visualiser le spectre de fréquence sur l'écran de l'oscilloscope 232 Le spectre obtenu est le spectre de l'onde lumineuse modulée LA comprenant deux bandes latérales de modulation situées de part et d'autre de la "raie-laser" de la source laser 21 A partir du spectre de l'onde lumineuse modulée LA et de la fréquence d'émission de la source laser 21 est déduit le spectre du signal à mesurer V. Un tel dispositif 2 ne permet néanmoins de connaître que deux informations caractérisant le signal à mesurer V: la/les fréquence(s) et la/les amplitude(s) correspondante(s) L'information de phase du
signal V ne peut être déduite.
Basée sur le principe très général de la demande FR-A-2 634 560, la présente invention vise à extraire cette information de phase comme cela est réalisé dans les dispositifs à technique d'échantillonnage 9 -
commentés initialement dans la description.
En référence à la Fig 3, un système de mesure d'un signal électrique par effet électro-optique selon l'invention comprend un dispositif de modulation DM, un dispositif de démodulation DD et un dispositif de
contrôle DC.
Le dispositif de modulation DM, du type "analogue" à l'une des variantes de système de mesure décrites dans la FR-A 2 634 560, comprend successivement, suivant le sens aller d'une onde lumineuse émise par une première source laser 30, une première lame demi-onde directrice 31, un premier polariseur optique 32, un second polariseur optique 33, un couple de lames de polarisation 34, un substrat cristallin électro- optique 35 et un jeu de miroirs 37 a, 37 b et 37 c Le dispositif de démodulation DD comprend une deuxième source laser 40, une seconde lame demi-onde directrice 41, un polariseur optique 42, un isolateur optique 43, une lame demi-onde de polarisation 44, un cube séparateur de faisceau 45, un détecteur lent à photodiode ou photodétecteur 46, un oscilloscope 47 et un interféromètre 48 Enfin, le dispositif optique de contrôle DC est composé d'un cube séparateur de faisceau 50, d'un photodétecteur rapide à diode 51, d'un analyseur de spectre 52 et d'un
miroir 53 a.
Il est à noter dès à présent que le jeu de miroirs 37 a, 37 b et 37 c du dispositif de modulation DM, l'isolateur 43 du dispositif de démodulation DD et le miroir 53 a du dispositif de contrôle DC n'interviennent pas dans la mesure proprement dite du signal et ne sont prévus que pour acheminer convenablement des ondes lumineuses
afin de rendre plus compact le système de mesure Dans la description
ci-après du système selon l'invention, il est donc fait abstraction des modifications d'orientation d'axes de propagation des différentes ondes lumineuses résultant de réflexion sur l'un quelconque des miroirs 37 a, 37 b, 37 c et 53 a En référence aux Figs 3, 4, 5 et 6 il est maintenant décrit le fonctionnement du système de mesure selon l'invention tout en présentant les différentes étapes constituant le
procédé de mesure selon l'invention.
La première source laser 30 dans le dispositif de modulation DM - est de type monochromatique à émission continue et à très faible largeur de raie Il s'agit par exemple d'une source laser à gaz de type Helium-Néon (He Ne) stabilisée en fréquence et émettant une première onde lumineuse monochromatique Ll de longueur d'onde Xî correspondant à la fréquence v, de quelques centaines de térahertz et de très faible
largeur de raie Av 1, typiquement inférieure à 10 k Hz.
En se référant à la Fig 5, il est maintenant décrit plus précisément le rôle joué par la combinaison optique de la première lame demi-onde directrice 31 et du premier polariseur 32 du dispositif de modulation
DM.
Le polariseur 32 est par exemple sous la forme de prismes de NICOL, ici utilisés en analyseur L'onde lumineuse émise Li par la première source laser 30, schématiquement représentée en polarisation circulaire dans la Fig 5, est appliquée, suivant un axe de propagation, normalement à l'une 310 des faces de la lame demi-onde 31 (k 1/2) La lame 31 introduit un retard de phase entre les deux composantes orthogonales de l'onde lumineuse émise L 1 Ce retard de phase est engendré, de manière connue pour les compensateurs optiques en général, par des différences d'indice de réfraction suivant des axes prédéterminés x et y normaux à l'axe de propagation La lame 31 convertit ainsi l'onde lumineuse Ll produite par la première source laser 30 en une onde polarisée rectilignement Llp Plus précisément, par rotation axiale de la lame demi-onde 31 relativement à l'axe de propagation de l'onde lumineuse Ll afin de positionner cette dernière selon l'une de deux positions prédéterminées, l'onde lumineuse issue de la lame 31 est polarisée suivant l'un de deux plans normaux Le polariseur 32 reçoit l'onde lumineuse polarisée Llp sur une première face 320 et réfléchit ou transmet ladite onde polarisée selon que le plan de polarisation de cette dernière, déterminée par l'une des deux positions de la lame demi-onde 31, correspond à une onde ordinaire ou à une onde extraordinaire résultant des propriétés de biréfringence dans le
polariseur 32.
En revenant maintenant à la Fig 3, en fonction des deux positions prédéterminées de la lame demi-onde 31, l'onde lumineuse polarisée Llp issue de la lame 31 est respectivement réfléchie par le polariseur 32 vers le cube séparateur 50 du dispositif de contrôle DC en une onde il réfléchie Llr et transmise par le polariseur 32 vers le second polariseur 33 du dispositif de modulation DM en une onde transmise Llt Un opérateur positionne la lame quart-d'onde 31 suivant les deux positions prédéterminées afin que l'onde polarisée Llp soit entièrement réfléchie pour un contrôle de la mesure comme décrit ultérieurement et entièrement transmise pour une mesure de signal V Le dispositif de contrôle DC recevant l'onde lumineuse réfléchie Llr sera détaillé ultérieurement
après la description des dispositifs de modulation DM et démodulation
DD ci-après.
L'onde lumineuse transmise Llt est appliquée normalement à une première face 330 du deuxième polariseur 33 Les plans de section principale des polariseurs 32 et 33 étant parallèles, l'onde lumineuse issue d'une seconde face 331 du polariseur 33 est identique à l'onde lumineuse transmise Llt Cette onde lumineuse transmise Llt est dirigée vers le couple de lames de polarisation 34 Le couple de lames de polarisation 34 comprend une lame demi-onde 341 (k 1/2) et une lame quart-d'onde 342 (X 1/4) qui sont disposées parallèlement et imposent un retard de phase EO entre les deux composantes de l'onde transmise Lit pour une modulation optimale L'onde transmise Lit est appliquée normalement aux faces des deux lames du couple 34 qui produit une onde lumineuse de modulation Llm Ce déphasage r O sert à prépolariser l'onde lumineuse de modulation Llm qui module le signal à haute fréquence à mesurer V dans la zone linéaire de la réponse du substrat cristallin 35. L'onde lumineuse de modulation Llm est orientée vers un point au voisinage d'un ruban conducteur 36 localisé sur une face supérieure 350 du substrat 35 Le signal électrique V à mesurer est appliqué entre le ruban 36 et une face inférieure 351 du substrat qui est métallisée 3 et portée à une tension de référence Le signal électrique V produit dans le cristal un champ électrique E modifiant les indices de réfraction du substrat 35 L'onde de modulation Llm se propage dans le substrat jusqu'à la face inférieure 351 sur laquelle elle est rétroréfléchie vers la face supérieure 350 L'onde lumineuse issue du substrat 35 par la face supérieure 350 est ainsi modulée en phase par effet Pockels de manière optimale et forme l'onde LI I Le retard de phase A Sie introduit dans l'onde lumineuse de modulation L Im pour former l'onde Ll est
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exprimé par l'égalité
= N V/VE,
dans laquelle VX est un paramètre caractéristique du substrat 35 et de la longueur d'onde de l'onde lumineuse Ll émise par la première source laser 30. L'onde lumineuse rétro-réfléchie modulée en phase L 1 est appliquée normalement, suivant un sens retour opposé au sens aller de l'onde lumineuse de modulation Llm, à la deuxième face 331 du deuxième polariseur 331 à travers le couple de lames de polarisation 34 La rotation de polarisation induite par le champ électrique E sur l'onde lumineuse de modulation Llm entraîne que l'onde lumineuse L 14 comprend deux composantes en quadrature L'onde lumineuse modulée en phase L 1, est "convertie" en une onde lumineuse modulée en amplitude Lla au moyen du couple de lames 34 et du polariseur 33 Précisément au niveau du plan de coupe diagonal dans le second polariseur 33, réalisé sous la forme de prismes de NICOLL, une première composante modulée en amplitude Lla réfléchie est injectée dans une cavité optique accordable 482 de l'interféromètre 48 du dispositif de démodulation DM à travers une paroi fixe 480 tandis qu'une seconde composante est transmise sans modification d'axe de propagation En référence à la Fig 4, la composante lumineuse Lla réfléchie par le second polariseur 33 présente un spectre comprenant une raie à la fréquence vl, correspondant à la fréquence de l'onde lumineuse émise par la première source laser 30, et deux bandes latérales BI et BS induites par la modulation d'amplitude, toutes deux représentant à des décalages de fréquence respectifs près, le spectre de fréquence du signal électrique à mesurer V. En revenant à la Fig 3, une seconde paroi semitransparente 481 de l'interféromètre 48 est équipée d'un dispositif de commande piézoélectrique et est mobile par rapport à la paroi fixe 480 Sous la commande d'un signal électrique périodique conférant un déplacement de la paroi mobile 481, la cavité optique 482 peut être accordée à différentes fréquences d'un domaine de fréquences à explorer, et délivrer en conséquence des composantes lumineuses fréquentielles CF correspondantes de l'onde lumineuse Lla à travers ladite paroi mobile 481 Les diverses composantes spectrales CF à des fréquences respectives du domaine de fréquences à explorer sont appliquées successivement, 13 - sous la commande du signal électrique de déplacement de la paroi mobile 481, à travers ladite paroi mobile sur une première face 450 du cube
séparateur 45 utilisé ici pour combiner deux faisceaux lumineux.
La seconde source laser 40 émet en continu une seconde onde lumineuse cohérente monochromatique L 2 à longueur d'onde X 2, correspondant à une raie de fréquence v 2 ayant une largeur Av 2 également inférieure à 10 K Hz L'onde L 2 traverse la seconde lame demi- onde directrice 41 K 2/2 puis le polariseur 42 utilisé en analyseur Comme
signalé lors de la description du dispositif de modulation DM en
référence à la Fig 5, la seconde lame demi-onde 41 et le polariseur 42 dans le dispositif de démodulation DM ont des rôles strictement identiques à ceux de la lame 31 et du polariseur 32 dans le dispositif de modulation DM Ainsi, par rotation axiale de la lame demi-onde 41 successivement vers deux positions prédéterminées, une onde polarisée L 2 p issue de la lame demi-onde 41 est entièrement réfléchie par le polariseur 42 en une onde réfléchie L 2 r qui est appliquée sur une seconde face 501 du cube séparateur 50 dans le dispositif de contrôle DC, puis entièrementtransmise en une onde L 2 t vers la lame demi-onde de polarisation 44 disposée parallèlement à une seconde face 451 du cube séparateur 45 du dispositif de démodulation DD Les deux polariseurs 32 et 42 utilisés en analyseurs supportent, de préférence, une couche mince diélectrique anti-reflet sur chacune de leurs faces respectives afin d'éviter des interactions d'ondes lumineuses au sein du système,
qui sont succeptibles de nuire aux performances en mesure du système.
Il est maintenant décrit les deux étapes principales constitutives du procédé selon l'invention respectivement lorsque les deux lames demiondes directrices 31 et 41 des dispositifs de modulation DM et démodulation DD sont positionnées de façon à ce que les ondes polarisées Llp et L 2 p soient entièrement transmises et entièrement réfléchies, respectivement. La première étape, dite étape de contrôle, selon l'invention, fait appel à la réflexion des deux ondes polarisées Llp et L 2 p Les ondes réfléchies Llr et L 2 r sont représentées par des traits discontinus sur la Fig 3, et sont appliquées sur deux faces perpendiculaires respectives
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500 et 501 du cube séparateur 50 dans le dispositif de contrôle DC.
L'onde réfléchie L 2 r est réfléchie par le plan diagonal semi-réfléchissant dans le cube séparateur 50, utilisé en cube combineur de faisceaux, pour être combinée avec l'onde réfléchie Llr en une onde de contrôle OC L'onde de contrôle OC possède une fréquence de battement vl v 2 égale à la différence des fréquences d'émission des première et seconde sources lasers 30 et 40 Cette onde de contrôle OC est appliquée sur une photodiode 511 dans le photodétecteur à détection rapide 51 pour produire un signal électrique IC représentatif de ladite onde de contrôle OC Le signal électrique IC est appliqué à une entrée de l'analyseur de spectre 52 Des moyens sont inclus dans l'analyseur de spectre 52 pour balayer un domaine de fréquence L'analyseur de spectre 50 permet de visualiser une "raie" à une fréquence égale à la différence des fréquences d'émission des première et seconde sources lasers 30 et 40 Dans une seconde étape, appelée étape de mesure au cours de laquelle les ondes polarisées sont entièrement transmises, les faisceaux lumineux sont représentés en traits continus dans la Fig 3 Les composantes fréquentielles CF du signal à mesurer V, translatées dans le domaine fréquentiel par modulation d'amplitude, sont appliquées sur la première face 450 du cube séparateur 45 tandis que la seconde face 451 de ce cube perpendiculaire à la face 450 reçoit une onde lumineuse de démodulation L 2 d issue de l'onde lumineuse transmise L 2 t appliquée à la lame demi-onde de polarisation 44 La lame demi-onde directrice 44 recevant l'onde transmise L 2 t pour produire l'onde de démodulation L 2 d est positionnée par rotation axiale afin que l'onde de démodulation L 2 d réfléchie dans le cube séparateur 45 soit polarisée parallèlement aux différentes composantes fréquentielles CF "filtrées" L'onde de démodulation L 2 d est réfléchie par le plan diagonal semi-réfléchissant dans le cube séparateur 45 pour être combinée cycliquement avec une
les composantes fréquentielles CF issues de l'interféromètre.
Comme schématisé sur le diagramme de phase de la Fig 6, la combinaison optique d'une composante fréquentielle CF à une fréquence f et de l'onde de démodulation L 2 d à la fréquence v 2 d'émission de la source laser 20 produit une onde lumineuse de mesure OM à la fréquence An F= 1 v 2-f Une information sur la phase de la composante fréquentielle
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CF relativement à la phase de l'onde de démodulation L 2 d est également extraite C'est précisément le rôle du photodétecteur lent à diode 46 et de l'oscilloscope 47 d'extraire ces informations de fréquence AF et de phase Pour cela, l'onde de mesure OM issue du cube séparateur 45 est appliquée sur une photodiode 461 du photodétecteur 46 qui produit en réponse un signal électrique IM représentatif de la fréquence et de la phase de l'onde de mesure OM Le signal électrique IM est appliqué à l'oscilloscope 47 pour y être visualisé Ainsi un opérateur effectuant une mesure avec le système selon l'invention ajuste la valeur du signal électrique commandant la mobilité de la paroi mobile 481 de l'interféromètre 48 afin de "filtrer" une composante fréquentielle CF et visualiser la phase et la fréquence de ladite composante fréquentielle relativement à celles de l'onde de démodulation L 2 d, sur l'écran de
l'oscilloscope 47.
Selon une autre variante, le cube séparateur 45 peut être remplacé
par un coupleur à fibre optique.
La représentation fréquentielle correspondant au diagramme de
phase montré à la Fig 6, est représentée sur la fig 4.
En se reportant maintenant à la fig 4 dans laquelle volontairement la raie fréquentielle v 2 de la seconde source laser 40 est sensiblement superposée au spectre de la première composante modulée en amplitude Lla, il est décrit le principe de la mesure selon l'invention Lors de l'étape de contrôle, la fréquence d'émission V 2 est ajustée dans la seconde source laser 40 afin qu'elle soit sensiblement égale à l'une des limites des bandes fréquentielles latérales BI et BS de la première composante modulée en amplitude Lla Selon la réalisation illustrée à la Fig 4, la fréquence v 2 est sensiblement égale à la limite inférieure de la bande latérale supérieure BS de la composante modulée en amplitude Lla Puis lors de 1 ' étape de mesure, la démodulation L 2 d dans le cube séparateur 45 est réalisée avec des écarts faibles de fréquence F = v 2 f entre les deux ondes justifiant l'utilisation d'un photodétecteur lent, et permettant des mesures précises notamment concernant
l'extraction de l'information de phase.
Ainsi la fréquence, l'amplitude et la phase de chaque composante
CF relativement à l'onde de démodulation L 2 d peuvent être déduites.
La fréquence d'une composante fréquentielle CF est déduite par
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addition de la fréquence F = v 2 vl de l'onde de contrôle OC et de la fréquence AF du signal IM visualisé sur l'oscilloscope 47 Dans ces conditions, pour un signal électrique à mesurer V ayant des composantes fréquentielles comprises entre F et F + AF de l'ordre de quelques dizaines de gigahertz, il apparaît que sa largeur de bande utile AF, de l'ordre de la dizaine de mégahertz, est analysée dans l'oscillateur 47 suite à une transposition dans un domaine de fréquence nettement
inférieur au gigahertz.
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Claims (7)
1 Procédé de mesure d'un signal électrique (V) comprenant une émission d'une première onde lumineuse monochromatique polarisée rectilignement (Llp) à une première fréquence (v 1), une modulation en amplitude de ladite première onde lumineuse par le signal électrique (V) en une onde lumineuse modulée en amplitude (Lla) présentant deux bandes latérales de fréquence (BI, BS) représentatives du spectre de fréquence (AF) du signal à mesurer (V), et un filtrage de composantes fréquentielles (CF) de l'onde lumineuse modulée en amplitude (Lla), caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une émission d'une seconde onde lumineuse monochromatique (L 2 p) à une seconde fréquence (v 2) qui est polarisée rectilignement et parallèlement à la première onde lumineuse, une combinaison de première et seconde onde lumineuse (Llp, L 2 p) en une onde lumineuse de contrôle (OC), un contrôle de la différence entre les première et seconde fréquences lvl -v 2 l dans l'onde de contrôle (OC) afin que, par ajustement de l'une (v 2) des première et seconde fréquences, cette dernière avoisine sensiblement l'une des deux bandes latérales de fréquence (BD, BG) relatives à ladite onde lumineuse modulée en amplitude (Lla), une combinaison des composantes fréquentielles (CF) de l'onde modulée en amplitude (Lla) et de la seconde onde lumineuse (L 2 p) en une onde lumineuse de mesure (OM), et une détection de l'onde de mesure (OM) dans une gamme de fréquence sensiblement égale à la largeur de bande (AF) du signal électrique
(V).
2 Système de mesure d'un signal électrique (V) pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 comprenant
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des moyens pour émettre une première onde lumineuse monochromatique (Li), des premiers moyens ( 31, 32) pour polariser rectilignement ladite première onde lumineuse (Ll) en une première onde lumineuse polarisée (Llt, Llr), des moyens ( 33, 34, 35) pour moduler ladite première onde lumineuse polarisée (Llp) par le signal électrique (V) en une onde lumineuse modulée en amplitude (Lla), des moyens de filtrage accordables en fréquence ( 48) recevant l'onde lumineuse modulée (Lla) pour délivrer différentes composantes fréquentielles lumineuses (CF) représentatives du spectre de fréquence du signal électrique (V), caractérisé en ce que les premiers moyens pour polariser ( 31, 32) polarisent successivement la première onde monochromatique (LI) en des première et seconde ondes lumineuses polarisées rectilignes (Llr, Llt) ayant des polarisations différentes, et le système de mesure comprend des moyens ( 40) pour émettre une seconde onde lumineuse monochromatique (L 2) ayant une fréquence (v 2) différente de la fréquence (v 11) de la première onde émise, des seconds moyens ( 41, 42) pour polariser successivement la seconde onde monochromatique (L 2) en des troisième et quatrième ondes lumineuses polarisées rectilignes (L 2 r, Llt) ayant des polarisations différentes, des premiers moyens ( 50) pour combiner les première et troisième ondes polarisées (Llr, L 2 r) en une onde lumineuse de contrôle (OC), des moyens ( 51, 52) pour analyser l'onde de contrôle (OC) afin de déduire la différence des fréquences (<vl v 2 |) des première et troisième ondes monochromatiques (L 1, L 2), des seconds moyens ( 45) pour combiner les composantes fréquentielles lumineuses (CF) et la quatrième onde polarisée (L 2 t) en une onde lumineuse de mesure (OM), et des moyens ( 46, 47) pour détecter l'onde de mesure (OM) afin d'analyser les caractéristiques de phase et fréquence du signal
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électrique (V) dans une gamme de fréquence sensiblement égale à la
largeur de bande (ALNF) du signal électrique (V).
3 Système conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que les premiers moyens pour polariser comprennent une première lame demi-onde ( 31) ayant des première et seconde positions orthogonales pour transmettre successivement lesdites première et seconde onde polarisées (L Ir, Llt) à travers le premier polariseur ( 32) respectivement vers les premiers moyens pour combiner ( 50) ét les
moyens pour moduler ( 33, 34, 35).
4 Système conforme à la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les seconds moyens pour polariser comprennent une seconde lame demi-onde ( 41) à rotation axiale et un second polariseur ( 42), la seconde lame demi-onde ( 41) ayant des première et seconde positions octhogonales pour transmettre successivement lesdites troisième et quatrième ondes polarisées (Llr, L 2 t) à travers le second polariseur respectivement vers les premiers moyens pour combiner ( 50) et les
seconds moyens pour combiner ( 45).
Système conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 4,
dans lequel les premier et second moyens pour combiner ( 50, 45)
comprennent chacun un séparateur optique de faisceaux.
6 Système conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 5,
caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 44), tels qu'une lame demionde pour ajuster la polarisation de la quatrième onde lumineuse (L 2 t) parallèlement à la polarisation des composantes fréquentielles
lumineuses (CF).
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