FR2824635A1 - Caracterisation d'impulsions courtes faible puissance - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de caractérisation d'au moins une impulsion lumineuse selon lequel :- on génère au moins une autre impulsion lumineuse; - on retarde ces deux impulsions l'une par rapport à l'autre;- on combine dans un coupleur les deux impulsions lumineuses ainsi retardées l'une par rapport à l'autre; caractérisé en ce que- on génère en outre un signal lumineux continu de fréquence optique différente des deux impulsions, que l'on combine, dans un coupleur, au signal optique résultant de la combinaison des deux impulsions lumineuses, avant d'injecter le signal résultant de ladite combinaison dans le milieu non linéaire; - on fait se propager le signal issu de la combinaison des deux impulsions lumineuses et du signal continu dans un milieu ayant un coefficient d'interaction non linéaire d'ordre trois ou supérieur; - on effectue l'analyse spectrale dudit signal lumineux après sa propagation dans le milieu non linéaire afin d'en tirer une information sur la fréquence et/ ou la phase et/ ou l'amplitude de l'impulsion lumineuse que l'on cherche à caractériser.

Description

ensemble dans la première centrale de service (22).

CARACTERISATION D'IMPULSIONS COURTES

FAIBLE PUISSANCE.

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL.

L' i nventi on concerne un procédé de caractérisati on, notamment en phase et en fréquence instantanée, d'impuisions lumineuses ainsi que des dispositifs

permettant la mise en _uvre d'un tel procédé de caractérisation.

Plus particul ièrement, I' i nvention concerne la caractérisation d' impuisions

lumineuses picosecondes et sub-picosecondes de faible puissance.

ETAT DE L'ART.

D iffi cu ltés de caractérisati on.

Généralement, les détecteurs pour caractériser les impuisions lumineuses de durées inférieures à 100 picosecondes (ps) sont uniquement sensibles à l'intensité lumineuse des impuisions. Ils ne permettent pas d'obtenir une

information sur la phase de l'impuision eVou sa fréquence instantanée.

Cependant, la connaissance de ces caractéristiques permet la mise en évidence d'effets non linéaires (comme l'effet Kerr par exemple) dans les

transmissions par fibre optique.

Le procédé 'Porte Optique Résolue en Fréquence'.

Le procédé 'Porte Optique Résolue en Fréquence' - ou Frequency Resolved Optical Gating (FROG) selon la terminologie anglo-sexonne généralement utilisée - permet quant à lui une caractérisation en fréquence des impuisions lumineuses à faible puissance. Il est décrit dans le

document US 5 530 544.

Selon ce procédé, pour caractériser une impuision lumineuse initiale, on réalise une auto corrélation entre ladite impuision et une impulsion

lumineuse qui lui est identique, mais qui est retardée par rapport à elle.

On réalise ensuite une analyse spectrale du champ optique harmonique

obtenu en sortie de la corrélation.

La trace ESI9(,T) obtenue par l'analyse spectrale est une fonction de deux variables caractéristiques de l'impuision à étudier - est la pulsation du signal lumineux dont on mesure la trace, est le retard introduit entre les deux impuisions. On traite la trace par un algorithme approprié connu en soi afin d'en déduire la phase et l'amplitude de l'impuision en fonction du temps. Le procédé de déconvolution est un algorithme itératif qui, partant d'une estimation du champ test, la compare avec la trace FROG expérimentale et effectue des corrections sur ce champ test pour obtenir la solution recherchée. A chaque étape, une fonction d'erreur, qui reflète la différence existant entre trace théorique et expérimentale, est calculée. El le permet

d'évaluer le degré de convergence vers la solution de l'algorithme.

Une description détaillée des procédés de correction du champ test est

donnée par le docoment US 5 530 544.

Grâce à la déconvolution, on peut tirer une information sur la forme de l'impuision initiale. On obtient notamment sa caractérisation en fréquence instantanée. Dans la méthode FROG, la trace Es;g(co,) est obtenue en multipliant le signal lumineux initial par une porte optique temporelle, puis en analysant le spectre résultant. Ces opérations peuvent être décrites symboliquement par la formule: S(c,r)= tE(t)g(-r) exp(-it (1) o t est la variable de temps S(c,r) est l'intensité du spectre résultant de la corrélation; g(f) est le champ optique de la porte considérée; E(t) est le champ optique de l'impuision à caractériser; c est la puisation lumineuse;

est le retard entre les deux impuisions.

La porte temporelle g(t) peut prendre n'importe quelle forme, et sa durée

doit être inférieure à celle de l'impuision.

Dans le cas idéal o g(t) est de durée beaucoup plus courte que celle de E(t), on obtient un échantillonnage résolu en fréquence. En d'autres termes, S donne directement la mesure de la fréquence instantanée et de l'amplitude de E. Il est toutefois très difficile de réaliser en pratique une impulsion plus courte

que l'impulsion à caractériser.

La façon la plus simple de procéder est alors d'utiliser comme porte une

réplique de l'impulsion initiale.

Dans sa réalisation la plus générale, la technique FROG comporte deux étapes. Selon une première étape, - On génère deux impuisions E(t) et g(t) ; - On impose un retard variable r à l'une d'entre elles; - On corrèle les deux champs par le biais d'une interaction non linéaire;

- On réalise une analyse spectrale du champs résultant.

Selon une deuxième étape - dite de déconvolution ou d'inversion, - On détermine une estimation de E(t) et g(t) à partir de la trace

obtenue par des algorithmes d' inversion connus en soi.

Ce procédé permet de caractériser les impuisions de faible puissance. En effet, la corrélation des impulsions est effectuée avec toute leur intensité

lumineuse disponible.

Procédés d'auto corrélation non linéaire.

Plusieurs procédés d'auto corrélation sont connus.

On peut réaliser une rotation non linéaire de la polarisation des impulsions.

Dans ce cas, les deux impuisions retardées sont polarisées à 45 I'une de I'autre et incidentes sur un milieu non linéaire d'ordre trois. La biréfringence induite par un champ sur l'autre en modifie l'état de polarisation, et l' intensité détectée après un polariseur est proportionnel le à la fonction de corrélation recherchée. La trace bidimensionnelle est obtenue en réalisant une analyse spectraie du champ détecté. D'autres variantes utilisent la génération de deuxième ou troisième harmonique. On réalise une auto corrélation comme précédemment décrit,

puis on analyse le spectre à la fréquence doublée ou triplée.

Une variante est fondée sur la génération non linéaire de réseaux d'indice.

Selon la géométrie envisagée, deux ou trois répliques de l'impuision initiale sont incidentes sur un milieu non linéaire d'ordre trois, et créent un système de franges. Par effet non linéaire, ce système induit un réseau de

diffraction, et la trace est obtenue par analyse spectrale de l'ordre diffracté.

Enfin, une dernière variante exploite l'effet de modulation de phase croisée dans une fibre. Les deux impulsions polarisoes orthogonalement sont indectées dans une fibre, et la modulation de phase qui en résulte se traduit

par une déformation caractéristique du spectre.

Une technique exploitant le coefficient non linéaire d'ordre trois des fibres optiques a déjà été étudiée par Mark D. Thomson, J.M. Dudiey et a/. , dans la publication 'Complete pulse characterization of ultrashort puise sources at

1550 nm', IEEE J. Quantum EJectron 35, pp 441-450(1999).

Inconvénients. Les techniques précédentes présentent cependant des inconvénients En effet, elles nécessitent des puissances lumineuses importantes Les techniques fondées sur des non linéarités d'ordre trois, qui sont plus faibles que les non linéarités d'ordre deux, sont en général réservées aux impuisions femtosecondes, qui sont les seules capables d'atteindre les puissances nécessaires Néanmoins, les techniques d'ordre trois sont préférées lorsqu'elles sont utilisables En effet, elles fournissent une trace contenant plus d'information sur l'impulsion initiale que celle obtenue par génération de second harmonique Elles donnent notamment une information directe sur le signe s de la modulation de fréquence parasite - ou chirp selon la terminologie

anglo-sexonne généralement utilisée par l'homme de métier.

Dans la méthode de Mark D. Thomson et a/., la non linéarité résulte en un déphasage non linéaire. Cependant, cette méthode présente certains inconvénients. Les impuisions à caractériser se propagent dans la même direction le long de la fibre. L'effet non linéaire ne réalise pas de conversion de fréquence mais seulement un déphasage. L'étape de déconvoiution est alors plus problématique et nécessite des algorithmes plus compliqués et

moins efficaces que les algorithmes courants.

PRESENTATION DE L'INVENTION.

L'invention propose de pallier ces inconvénients.

Notamment, I'invention a pour but de rendre possible la caractérisation complète d'impulsions courtes picosecondes et sub-picosecondes de faible

puissance - dont la puissance crête ne dépasse pas quelques milliwatts.

L'invention a pour but d'augmenter la sensibilité des procédés de

caractérisation existants, notamment le procédé FROG.

Un autre but de l'invention est d'assurer une grande souplesse d'utilisation grâce à l'emploi d'une fibre optique qui, par mélange à quatre ondes permet

d'obtenir un signal détectable malgré la faible non linéarité du matériau.

Dans la présente invention, on ajoute aux deux champs optiques impuisionnels à caractériser, un troisième champ optique continu. Le but est de réaliser, dans tout milieu non linéaire d'ordre au moins égal à trois, une

conversion de fréquence du signal FROG.

Une non linéarité d'ordre trois ou supérieur est nocessaire. En effet, le procédé implique au moins deux champs impuisionnels et un champ continu, plus le champ généré par mélange de fréquences. Une non linéarité d'ordre N ne pouvant faire interagir que au plus N+1 champs, N

devra ici être supérieur ou égal à trois.

On peut également obtenir dans des milieux d'ordre deux des effets d'ordre

trois, mais il s'agit de non linéarité équivalente obtenue par effet cascade.

A cet effet, I'invention propose un procédé selon lequel un champ lumineux constitué de deux répliques retardées d'une ou des source(s) à caractériser est généré, puis injecté dans une fibre optique o il se propage conjointement avec un champ continu à une fréquence optique différente de celle du (des) premier(s) champ(s). L'interaction non linéaire qui en résulte dans la fibre de mesure donne naissance à un champ lumineux à une fréquence distincte, dont l'analyse spectrale permet, en employant des algorithmes connus, de retrouver l'amplitude complexe de l'impuision originale, sans nécessité une connaissance a priori de la forme de l'impuision. En vue de réaliser ces buts, I' invention propose un procédé de caractérisation d'au moins une impuision lumineuse selon lequel: - on génère au moins une autre impulsion lumineuse; - on retarde ces deux impuisions l'une par rapport à l'autre; - on combine dans un coupleur les deux impuisions lumineuses ainsi retardéss l'une par rapport à l'autre; caractérisé en ce que - on génère en outre un signal lumineux continu de fréquence optique différente des deux impuisions, que l'on combine, dans un coupleur, au signal optique résultant de la combinaison des deux impuisions lumineuses, avant d'injecter le signal résultant de ladite combinaison dans le milieu non linéaire; - on fait se propager le signal issu de la combinaison des deux impuisions lumineuses et du signal continu dans un milieu ayant un coefficient d' interaction non linéaire d'ordre trois ou supérieur; - on effectue 1'analyse spectrale dudit signal lumineux après sa propagation dans le milieu non linéaire afin d'en tirer une information sur la fréquence et/ou la phase et/ou l'amplitude

de l'impuision lumineuse que l'on cherche à caractériser.

L' invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible: - on fait varier le retard autour d'une valeur moyenne et en ce qu'on mesure la trace en sortie du milieu non linéaire en fonction de ce retard; - on tire une information sur la fréquence et/ou la phase et/ou l'amplitude de l'impulsion lumineuse que l'on cherche à caractériser en effectuant la déconvolution de la trace issue de l'analyse spectrale; - pour générer au moins une autre impuision lumineuse, on dédouble l'impuision que l'on cherche à caractériser;

- les impuisions lumineuses sont générées par des sources différentes.

L' invention concerne également un dispositif de mise en _uvre du procédé selon l'invention. Le dispositif selon l'invention comporte des moyens pour la mise en _uvre du procédé. Il est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible: - le milieu non linéaire comporte une fibre optique; - le miiieu non linéaire comporte une fibre optique à dispersion décalée;

- le milieu non linéaire comporte un miroir en boucle.

- la source lumineuse continue comporte une diode laser à réscau de Bragg distribué;

- la source lumineuse continue comporte un laser accordable.

PRESENTATION DES FIGURES.

D'autres caractéristiques et avantages de l' invention ressortiront de la

description qui suit qui est purement illustrative et non limitative et qui doit

étre lue en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente un schéma de principe d'un dispositif de caractérisation par mélange quatre ondes selon l'invention; - la figure 2 représente schématiquement une configuration possible de la puissance spectrale en fonction de la fréquence dans le cas non dégénéré; - la figure 3 représente schématiquement une configuration possible de la puissance spectrale en fonction de la fréquence dans le cas dépénéré; - la figure 4 est une représentation schématique d'un dispositif de caractérisation selon l'invention dans le cas dépénéré; - la figure 5 représente l'intensité spectrale mesurée en sortie du dispositif en fonction de la longueur d'onde; - la figure 6 représente schématiquement la trace bidimensionnelle mesurée en sortie du dispositif; - la figure 7 représente un dispositif selon l'invention comportant un miroir non iinéaire en boucle, cas dépénéré; et - la figure 8 représente un schéma de dispositif selon l' invention dans le cas

non dégénéré.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION.

DESCRIPTIoN DU PRINCIPE GENERAL DE L'INVENTION.

Le schéma de principe du dispositif selon l' invention est représenté sur la

figure 1.

Le dispositif général selon l'invention comporte deux chemins optiques 101 et 102 issus de deux sources lumineuses 1 et 2 couplés en 5 avant d'étre

analysés spectralement.

Plus précisément, il comporte deux sources 1 et 2 impuisionnelles ainsi qu'un générateur 3 de retard variable qui est branché en sortie de la source

impuisionnelle 2.

Le générateur 3 de retard est relié à des moyens 4 permettant de faire

varier le retard autour d'une position moyenne.

Un coupleur 5 permet de combiner le signal lumineux retardé au signal

lumineux issu de la source 1.

Un autre coupleur 7 permet de combiner le signal issu du coupleur 5 à un

signal issu d'une source lumineuse continue 6.

Le signal issu du coupleur 7 se propage dans un milieu non linéaire 8 avant

d'être reçu par un analyseur spectral 9.

Les éléments du dispositif comportent les caractéristiques suivantes.

- la source impuisionnelle 1 émet un signal lumineux E(t); - la source impuisionnelle 2 émet un signal lumineux E2(t); - le générateur 3 retarde le signal lumineux E2(t) d'un retard variable noté r; - la source continue 6 émet un signal lumineux ECW; - le milieu non-linéaire 8 peut étre une fibre optique.

RAPPELS THEORIQUES.

Cas nénéral.

Si on exprime les champs émis par les sources 1, 2 et 6 respectivement par E1 () = A1 (t)exp(-i,t) E2(t)=A2(t)eXP(-i6)2t) (2) ECW (t) = Acw eXP(iacwt) o - E1, A1 et 01 correspondent respectivement au champ optique de la source 1, à son amplitude en fonction du temps et à sa puisation; - E2, A2 et to2 correspondent respectivement au champ optique de la source 2, à son amplitude en fonction du temps et à sa puisation; - Ecw, Acw et cw correspondent respectivement au champ optique de la source continue, à son amplitude en fonction du temps et à sa pulsation; Après le retard optique, le champ E2s'écrit: E2 (f - r) = A2 (t - r) exp[-ia'2 (t - r)] (3) On considère que la seule interaction non linéaire susceptible de se

produire dans le milieu non linéaire est le mélange quatre ondes.

Les principes de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement imposent alors des conditions sur les fréquences et les vecteurs d'onde mis en jeu: f + f2 = fcw + f, kl + k2 = kcw + k OU f, et k, désignent la fréquence et le vecteur d'onde du champ converti ou Idier Si on veut obtenir une conversion de fréquence significative, il faut obtenir

ce qu'on appelle l'accord de phase.

En faisant les hypothèses que Ej(t,z)=Ai(t,z).exp(i(i t-ki Z)) O Ej(t,z) est le champ électrique, Ai(t,z) est l'enveloppe lentement variable du champ référencé par i, t est la variable de temps, z est une variable d'espace, est la puisation, et avec c=+2-cw kj est le vecteur d'onde; et que les modules des champs optiques sont constants; et que l'atténuation est négligeable, alors on montre que la relation décrivant la variation du champ idier en fonction du temps et de la variable d'espace est: 0,A (t,z)=-j'D.A (t,z).A2(t,z)A*cw(t,z).expjAk.z) o est un coefficient non linéaire, D est un facteur de dégénérescence, Ak=k +k2-k-kcw Dans le cas général, le milieu de propagation est dispersif, et Ak n'est pas nul. L'énergie reflue alors périodiquement dans la pompe, ce qui empêche le

champ idier de crotre.

Réaliser l'accord de phase consiste à se placer dans les conditions o Ak est nul. On peut alors démontrer que, dans l'hypothèse o l'accord de phase est réalisé et o les champs pompes sont peu dépeuplés, on obtient: A. ocA(t)xA2(t-T)xAcw"A(t)xA2(t-T) (5) o A', A, A2, représentent les amplitudes des champs convertis, issu de la source 1, issue de la source 2 respectivement; et A*w représente l'amplitude conjuguée du champ de la source continue. L'analyse spectrale donne alors: +a 2 S(a), r) = J A, (t) x A2 (t - T) exp(-iat)df (6)

Cette fonction correspond à l'intensité du spectrogramme recherché.

Dans le cas général, le spectre mesuré à la sortie du dispositif est similaire

à celui représenté sur la figure 2.

La configuration représentée n'est pas unique. Toute permutation des champs est possible. En pratique cela signifie que le système peut être

modifié selon les longueurs d'ondes des sources disponibles.

Cas dénénéré.

Le cas E7=E2=E est représenté sur la figure 3.

Dans ce cas, le mélange est dit dégénéré et donne un résultat similaire à

celui obtenu en utilisant la génération de second harmonique.

Cependant, la superposition des champs E(f) et E(f-T) crsée un système de franges d'interférences puisque E(t)=A()exp(-it) (7) avec A(t) I'amplitude du signal lumineux; ce qui entraîne E(t) + E(t - r) = [A(t) + A(t - r) exp(ir)]exp(- ia)t) (8) Par la suite, c'est ce champ total qui est mis au carré par l'interaction non linéaire, ce qui aboutit à A, (t, r) cc [A(t) + A(t - r)exp(ir)]2 = A 2 (t) + A 2 (! _ {) exp(2ir) + 2A(t)A (t - r) exp(ir) L'intensité du spectrogramme s'exprime alors +oo 2 S(a', r) = |A, (7 r) exp(- ')dt. ( 1 o) On peut alors démontrer que S(W,T) peut s'exprimer sous la forme de trois composantes: S(o',r)= C('r)+C2(,r)cos(a> r)+C3(,r)C 5(2r) (11)

o c]' C2, C3 sont des coefficient d'intensité.

On observe une composante en bande de base et deux composantes

oscillantes cosinusodales.

Bien que les composantes oscillantes soient porteuses d'information, elles constituent néanmoins une gêne dans le processus de mesure car elles

imposent une précision et une résolution interférométrique du système.

De plus, dans le cas d'impuisions relativement longues par rapport à la période optique, résoudre les franges impose de recueillir une quantité très

importante de données.

Par ai l leurs, I' information potentiellement apportée par ces mesures est faible en comparaison de celle qu'il est possible d'obtenir par le biais d'un

a l go rith me.

Il est donc judicieux de s'affranchir de ces franges.

Dans le cas du FROG par génération de second harmonique, cela est réalisé pratiquement en choisissant un milieu non linéaire de type 11. Ce milieu non linéaire d'ordre deux impose que seules les composantes de

polarisation orthogonales participent à l'interaction non linéaire.

Cette stratégie n'est pas applicable dans le cas du mélange quatre ondes dogénéré, à cause des propriétés de symétrie des tenseurs non linéaires

des milieux homogènes.

Une solution possible consiste à générer, grâce à l'élément 4 de la figure 1,

de petites oscillations du retard T autour du point de fonctionnement.

On réalise ensuite un filtrage passe-bas (par des moyens non représentés sur les figures) lors de la détection du champ optique. La composante en bande de base varie lentement avec, tandis que les composantes oscillantes varient rapidement. Il est alors possible de

distinguer facilement les données pertinentes.

Importance du milieu non linéaire.

Nous avons vu que le mélange quatre ondes nécessite que les deux

conditions (4) soient vérifiées.

La première condition est résolue en employant une des dispositions

spectrales de la figure 2.

Par contre, la seconde est plus délicate à obtenir, et dépend dans une large

mesure du matériau dans lequel le mélange a lieu.

Cette condition serait vérifiée si le milieu était sans dispersion de temps de

groupe. Ce n'est généralement pas le cas.

Cas de la fibre optique.

Une fibre optique présente les avantages suivants: - un fort confinement de l'énergie; - une grande longueur potentielle; - de faibles pertes énergétiques; et - une compatibilité avec les sources modernes et les réseaux

de télécommunications.

Les fibres optiques présentent en outre la propriété d'avoir une longueur

d'onde, fixée par construction, o la dispersion s'annule.

Cette longueur d'onde est égale à environ 1,3,um pour les fibres dites

standard, ou 1,55 IJm pour les fibres dites à dispersion décalées.

On peut démontrer qu'au voisinage de cette longueur d'onde, appelée zéro de dispersion, I'accord de phase peut être rénlisé dans les deux

configurations représentées sur la figure 2.

En effet, on pose =,l} +2 -pCW -] ( 12) /0 = { )+ (f - f ) 4f (fo)+ 2 (f f ) f (f ) + 6 - f ) f (f ) + = (fo)+(f fo)f (fo)± fo) -D(fo)+(f - fo)3 3 2 [7D(fo)+D' )+ (13) o est le désaccord de phase entre les signaux lumineux; , , 2, {cw, ef {, sont les phases respectives des signaux lumineux; représente la longueur d'onde du signal lumineux; f est la fréquence du signal lumineux; f0 est la fréquence de zéro de dispersion; D est la dispersion de temps de groupe en ps/nm/km; Dc la pente de cette dispersion en ps/nm2/km; et

c est la célérité du signal dans le milieu.

En admettant que D est nul, on obtient dans le cas général une expression du désaccord de phase: =- c2 Dc [(f'-fo)+(f2-fo)] (J -f,) (f2-f,) (14) Dans le cas dégénéré - soit f égale à f2-, cette équation devient =- 2 Dc 2(f, - fo) (f, - f,) =- 2 Dc 2, - fo)Af (15) Dans les deux cas de figure, on remarque que le désaccord de phase s'annule lorsque le spectre est symétrique par rapport au zéro de

dispersion, ceci correspondant à l'accord de phase recherché.

Le choix d'une configuration de mélange quatre ondes dégénérce ou non

repose sur plusieurs critères.

CHOIXDE LA CONFIGURATION NON DEGENEREE.

La configuration non dégénérée présente les avantages suivants: - lorsque de la fibre est employée comme milieu non linéaire, I'accord de phase est réalisé sur une grande plage lorsque f] et f2 sont situées de part et d'autre de la fréquence du zéro de dispersion. Ceci permet une bonne accordabilité et une large bande passante, - la caractérisation simultanée de deux impuisions est possible, - I' interaction non l inéaire est deux fois plus importante que dans le cas dégénéré, d'o un gain d'un facteur quatre en terme de rapport signal sur bruit, - il n'apparat pas de franges d'interférences, - il est possible, lorsque les sources s'y prêtent, de générer le retard entre les deux impuisions de manière électronique et non

optique, ce qui n'est pas le cas en mode dépénéré.

La configuration non dégénérée présente cependant les inconvénients suivants: - il faut travailler avec deux sources impulsionnelles équivalentes; - les sources impulsionnelles doivent être stables et de taux de

répétition multiples l'un de l'autre.

CHOIXDE LA CONFIGURATION DEGENEREE.

La configuration dégénérée présente quant à elle les avantages suivants: une seule et unique source impulsionnelle est requise, - les exigences en terme de stabilité et de taux de répétition de la source sont faibles, dans la fibre optique, les distorsions de l'impuision à caractériser dues à la dispersion et à la modulation de phase croisée sont moindres que dans le cas non dégénéré, ce qui permet l'usage

de pius grandes longueurs de fibre.

La configuration dégénérée présente cependant l'inconvénients suivant: I'impuision doit être centrée autour de la longueur d'onde du zéro de dispersion de la fibre afin que la condition d'accord de phase

soit vérifiée.

DESCRIPTION D'UN PREMIER MODE DE REALISATION.

Un premier mode de réalisation possible de dispositif de caractérisation d'impuisions courtes fondé sur le mélange quatre ondes - ou Four Wave Mixing (FWM) selon la terminologie anglo-sexonne généralement utilisée dogénéré est représenté sur la figure 4. Il est fondé sur la propagation des

signaux lumineux à caractériser dans une fibre.

11 comporte deux sources lumineuses 1 et 2. La source 1 est impuisionnelle

et la source 2 est continue.

Les signaux lumineux issus de ces deux sources se propagent dans des branches optiques 101 et 102 distinctes avant de se combiner dans un

coupleur 1 0.

Le signal résultant de la combinaison se propage dans un milieu non linéaire 11 relié en sortie du coupleur 10. Il est analysé par un analyseur de

spectre 1 2.

La source impuisionnelle 1 est une diode laser à rétronction répartie (DFB)

conçue pour la modulation rapide (10 GbIs).

Elle est pilotée par générateur de signal 14. Le signal pilote est par exemple

sinusodal et de forte amplitude à 1 GHz.

La durce des impuisions ainsi créées est évaluée à moins de 20 ps pour une largeur spectrale à -20 dB de 0,8 nm. La puissance moyenne à la

sortie de la diode 1 est de-3 dBm.

La longueur d'onde d'émission est de 1556,5 nm avec 1 nm d'accordabilité

par effet thermique.

La source continue 2 est une diode laser à réseau de Bragg distribué

(DBR), émettant jusqu'à 1 mW entre 1545 et 1555 nm.

Elle a une largeur de raie inférieure à 100 MHz.

Un contrôleur de polarisation fibré 51 est relié en sortie de la source 1. Il ajuste la polarisation de l'impuision lumineuse issue de 1 afin d'obtenir la

meilleure efficacité de conversion possible.

En sortie du contrôleur 51, I'impuision entre dans un interféromètre de Michelson 90. Il comporte deux objectifs de microscope 61 et 62, un cube

séparateur 7 et deux miroirs 81 et 82.

Le miroir 81 est translatable sur une distance de 16 mm par exemple. Le miroir 82 est équipé d'un vérin piézo-électrique 9 soumis à une tension sinusoidale. Le signal lumineux en sortie de l'objectif 62 est amplifié par un amplificateur

optique à fibre dopée à l'erbium 31.

Le signal amplifié est ensuite filtré par le filtre 41 afin de réduire le bruit

d'émission spontanée.

Le signal lumineux continu issu de la source 2 est amplifié par un amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium 32.

Il est ensuite filtré par un filtre 42 afin de réduire le bruit d'émission spontanée. La polarisation du signal amplifié et filtré est ajustée par un contrôleur de polarisation fibré 52 afin d'obtenir la meilleure efficacité de conversion

possible.

Un coupleur standard 10 combine les signaux lumineux issus de l'interféromètre - chemin optique 101 - et de la source continue - chemin

optique 102.

Le champ issu de la combinaison est injecté dans une fibre à dispersion décalée 11 dont les paramètres sont conçus pour obtenir un zéro de

dispersion à une longueur d'onde spécifique (1557 nm par exemple).

Le champ sortant de la fibre 11 est analysé sur l'analyseur de spectre 12.

Des moyens de traitement 13, comme un ordinateur par exemple, permettent de recueillir les données via une interface IEEE (- 488 GPIB par exemple) et de les traiter. Cette interface permet de relier plusieurs appareils à un ordinateur afin de la piloter à distance. La fibre utilisse a avantageusement un zaro de dispersion situé à 1557 nm,

avec une pente Dc=0,07 nm/ps21km.

Avantageusement, elle mesure 22 km pour des pertes de 0,22 dB/km.

Les résultats obtenus sur les moyens 13 sont représentés sur la figure 5.

Le spectre à la sortie du dispositif met en évidence l'existence d'un champ

converti à 1560 nm.

La figure 6 représente la trace bidimensionnelle mesurée.

DESCRIPTION D'UN DEUXIEME MODE DE REALISATION.

Un deuxième mode de réalisation possible de dispositif de caractérisation d'impuisions courtes par le mélange quatre ondes dogénéré est représenté sur la figure 7. Il est fondé sur la propagation des signaux lumineux à

caractériser dans un miroir en boucle.

Ce dispositif constitue une amélioration du premier mode de rénlisation

dans une fibre optique.

En effet, la condition d'accord de phase impose de travailler avec des sources spectralement proches, ce qui dégrade le rapport signal sur bruit,

notamment en raison du bruit d'émission spontanée des sources.

Cependant, les performances du dispositif dépendent de la capacité à mesurer le champ converti. Ce dernier peut être faible et risque d'être noyé

dans le bruit.

Afin de réduire le seuil de bruit à la sortie du dispositif, le milieu non linéaire

est remplacé par un miroir en boucle 11.

Le schéma du deuxième mode de réalisation possible est représenté sur la figure 7. Le principe général de ce mode de réalisation est identique à celui

du premier mode de réalisation. La numérotation reflète cette similarité.

Il comporte deux sources lumineuses 1 et 2. La source 1 est impulsionnelle (par exemple une diode laser à rétroaction répartie pilotée par générateur 14 de signal sinusodal) et la source 2 est continue (par exemple une diode

laser à réseau de Bragg distribué).

Les signaux lumineux issus de ces deux sources se propagent dans des branches optiques 101 et 102 distinctes avant de se combiner dans un

coupleur 10.

Le signal résultant de la combinaison se propage dans un milieu non linéaire 11 relié en sortie du coupleur et est analysé par un analyseur de

spectre 12.

La polarisation des signaux lumineux issus des sources 1 et 2 est. comme dans le premier mode de réalisation, ajustée à l'aide de contrôleurs de polarisation fibrés 51 et 52 afin d'obtenir la meilleure efficacité de

conversion possible.

De méme, les signaux lumineux sont amplifiés par des amplificateurs

optiques 31 et 32 à fibre dopée à l'erbium.

Ils sont ensuite filtrés par les filtres 41 et 42 afin de réduire le bruit

d'émission spontanée.

Le chemin optique 101 comporte un interféromètre de Michelson 90

identique à celui que comporte le premier mode de réalisation.

Un ordinateur 13 par exemple permet de recueillir les données via une

interface IEEE et de les traiter.

* Le miroir en boucle 11 comporte un coupleur standard 111, une longueur L

de fibre à dispersion décalée 112, et une longueur / de fibre standard 1 13.

Selon le procédé de mise en _uvre de ce dispositif, on crée en sortie du miroir 11 un état d'interférence destructive pour les champs sources, mais

constructive pour le champ converti.

Pour un miroir 11 idéal, la première étape est automatiquement réalisse.

La seconde étape est obtenue en choisissant la longueur / de l'élément dispersif. En effet, comme le montre la figure 7, le champ converti issu du port 130 qui se propage dans le sens direct subit d'abord l'effet non linéaire, puis

ensuite l'effet dispersif.

Au contraire, le champ rétrograde procède inversement.

Les champs optiques au droit du coupleur 111 peuvent s'écrire: Direcr = K, Ecw exp[-i(2(f,)->(fcw " I] ( 1 6) Re. = K,2 À ÉCW À exp[- id (f,). l] o K est une constante de proportionnalité; * représente le conjugué du champ optique considéré;

I est la longueur d'élément dispersif.

Les deux champs interfèrent alors et la puissance P mesurée en sortie sur le port 120 s'écrit P2 = Pma, 2 [}-cos(Ap 1)] (1 7) avec =2,t3(f,)-3(fcw)/]ftf) (18) o est le désaccord de phase entre les signaux lumineux; (f), p(f2), 0(fcw) sont les phases respectives des signaux lumineux. On remarque que la puissance transmise maximale, correspondant à l'état d'interférence recherché, est obtenue pour I = T mod 2r ( 19) Les champs pompes, qui subissent la même dispersion quelque soit le sens de propagation, ne sont pas affectés. Ils sont en opposition de phase, donc

réfléchis sur la sortie 110.

Ainsi, tant que la relation (19) est vérifiée, il est possible de transmettre sélectivement le champ converti vers la sortie 120, quelle que soit la

configuration spectrale.

La relation (19) peut être obtenue en employant d'une part comme milieu non linéaire 112 une fibre à dispersion décalée et d'autre part comme milieu dispersif 113 soit une fibre à dispersion standard, soit une fibre

compensatrice de dispersion.

En théorie, un état d'interférence parfaitement destructif peut être atteint.

Cependant, dans la réalité, le contraste est limité par la dépolarisation lors de la propagation dans la fibre et par le déséquilibre du coupleur 111

constituant la boucle.

Bien que cette configuration induise des pertes accrues et une légère diminution de l'efficacité de conversion, ceci est largement compensé par le

gain obtenu sur le rapport signal sur bruit.

D'UN TROISIEME MODE DE REALISATION.

DESCRIPTION.

La figure 8 représente un troisième mode de réalisation possible de dispositif de caractérisation d'impuisions courtes par le mélange quatre

ondes non dégénéré.

Ce mode de réa l isati on peut être m is en ceuvre l orsque deux sources impuisionnelles de longueurs d'onde différentes générant des impulsions de

caractéristiques comparables sont disponibles.

On reprend alors une configuration générale tel le que représentée sur la

figure 1.

Un schéma du dispositif possible selon le troisième mode de réalisation est

représenté sur la figure 8.

Les deux sources impuisionnelles 1 et 2 sont indirectement pilotées par un

synthétiseur hyperfréquence 8.

Le signal du synthétiseur hyperfréquence 8 est envoyé sur un diviseur de

puissance 7.

Le diviseur de puissance 7 possède deux sorties.

La première sortie du diviseur de puissance 7 est relise à un générateur de retard 9, dont la sortie est reliée à un amplificateur 21. Le signal issu de

l'amplificateur 21 commande la source impulsionnelle 1.

La seconde sortie du diviseur de puissance 7 est reliée à un amplificateur 22, dont la sortie est branchée sur la source impulsionnelle 2.

Les deux sources sont pilotées en régime de commutation de gain.

Les champs optiques émis sont ensuite amplifiés par les amplificateurs 31 et 32, filtrés par les filtres 41 et 42 et leur polarisation est ajustée par les

contrôleur 51 et 52.

Ces deux composantes sont injectées dans un premier coupleur 10, puis le champ résultant est couplé à un champ continu issu d'une source

lumineuse continue 3 dans un coupleur 111.

La source iumineuse continue 3 sera avantageusement un laser accordable.

Le champ optique total se propage ensuite dans un milieu non linéaire 11.

Le milieu non linéaire 11 sera avantageusement une fibre à dispersion décalée.

La sortie du milieu non linéaire 11 est reliée à un analyseur de spectre 12.

Les données issue de l'analyseur 12 sont ensuite recueillies par ordinateur 13.

RAPPELS THEORIQUES.

Dans cette configuration, I'amplitude complexe du champ converti peut s'écrire A,(t,r)"A,()xA2(-r)xJcw A,()xA2(-r) (20) et la trace mesurée s'exprime S(w, r) x f A () x A2 (t - r)exp(- i")dt (21) Cette trace est inversible avec une version modifiée des algorithmes utilisés

pour traiter les traces issues d'un seul champ.

En outre, elle ne présente ni franges d'interférences ni fond continu, qui

constituaient un bruit dans le cas dégénéré.

De plus, ce système permet de s'affranchir de la ligne à retard optique que constituait l'interféromètre de Michelson 90 dans les deux premiers modes de réalisation dégénérés. On remplace l'interféromètre g0 par un générateur de retard électronique 9, ce qui permet de réduire grandement les pertes optiques et de faciliter

l'acquisition, notamment par automatisation.

Au surplus, cette configuration impose une condition moins draconienne sur les longueurs d'onde des impulsions que la méthode dégénérée. En effet, la condition d'accord de phase impose seulement la symétrie du spectre par

rapport au zéro de dispersion.

Au contraire, dans le cas dégénéré, la longueur d'onde des impulsions

elles-mêmes doit être proche de ce zéro.

Dans le cas non dégénéré, avec des longueurs d'onde de sources fixées, la condition de symétrie du spectre peut être résolue en employant une source

continue accordable.

On atténue la contrainte sur les champs impuisionnels.

Cependant, on ajoute une condition de similarité des impuisions. Elles doivent être de durées comparables, de puissances comparables et de taux

de répétition multiples l'un de l'autre pour obtenir les meilleurs résultats.

De plus, les deux sources 1 et 2 doivent avoir une gigue temporelle

suffisamment faible, sous peine de diminuer la précision.

Ces conditions sont en général vérifiées dans le cas des diodes à

commutation de gain.

Le procédé de mise en oeuvre du troisième mode de réalisation s'applique

par conséquent avantageusement à ces sources.

AVANTAGES DE L' INVENTION.

Le procédé selon l'invention exploite les propriétés des guides optiques, afin

de renforcer leur effet non linéaire.

Les fibres optiques constituent un matériau qui présente les avantages suivants. - un fort confinement de l'énergie; - d'une grande longueur potentielle; - de faibles pertes; et - compatibilité avec les sources modernes et les réseaux de télécommunications Le système selon l' invention permet la caractérisation d' impulsions picosecondes et subpicosecondes de faible puissance (quelques milliwatts)

par le biais du mélange quatre ondes.

La configuration faisant l'objet de l' invention permet l'emploi de fibre optique, ce qui ouvre la possibilité de grandes longueurs d'interaction, d'o

une sensibilité accrue.

La sensibilité du dispositif peut être encore améliorse en exploitant les

propriétés des miroirs en boucle.

Enfin, la configuration basée sur le mélange non dégénéré permet d'obtenir une bande passante plus large tout en maintenant les performances de sensibilité.

Claims (16)

REVENDICATIONS.

1. Procédé de caractérisation d'au moins une impuision lumineuse selon lequel: - on génère au moins une autre impuision lumineuse; - on retarde ces deux impuisions l'une par rapport à l'autre; - on combine dans un coupleur les deux impuisions lumineuses ainsi retardées l'une par rapport à l'autre; caractérisé en ce que - on génère en outre un signal lumineux continu de fréquence optique différente des deux impuisions, que l'on combine, dans un coupleur, au signal optique résultant de la combinaison des deux impulsions lumineuses, avant d'injecter le signal résultant de ladite combinaison dans le milieu non linéaire; - on fait se propager le signal issu de la combinaison des deux impuisions lumineuses et du signal continu dans un milieu ayant un coefficient d'interaction non linéaire d'ordre trois ou supérieur; - on effectue l'analyse spectrale dudit signal lumineux après sa propagation dans le milieu non linéaire afin d'en tirer une information sur la fréquence eVou la phase eVou l'amplitude de

l'impuision lumineuse que l'on cherche à caractériser.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait varier le retard autour d'une valeur moyenne et en ce qu'on mesure la trace issue de l'analyse spectraie en sortie du milieu non linéaire en

fonction de ce retard.

3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on tire

une information sur la fréquence et/ou la phase eVou l'amplitude de I'impulsion lumineuse que l'on cherche à caractériser en effectuant la

déconvolution de la trace issue de l'analyse spectrale.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour générer au moins une autre impuision lumineuse, on dédouble l'impuision

que l'on cherche à caractériser.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les

impuisions lumineuses sont générées par des sources différentes.

6. Dispositif de caractérisation d'au moins une impulsion lumineuse comportant: - des moyens (2) pour obtenir au moins une autre impuision lumineuse; - des moyens (3, 4) pour retarder les impuisions l'une par rapport à l'autre; - un coupleur (5) pour coupler les deux impuisions lumineuses ainsi retardées; caractérisé en ce qu'il comporte en outre une source lumineuse continue (6) pour générer un signal lumineux de fréquence optique différente de celle des deux impuisions; - un milieu (8) ayant un coefficient d'interaction non linéaire d'ordre trois ou supérieur; - un coupleur (7) s'étendant d'une part entre la sortie du coupleur des deux impuisions lumineuses et la sortie de la source lumineuse continue pour coupler le signal optique continu aux deux impuisions lumineuses et d'autre part l'entrée du milieu non linéaire pour injecter dans le milieu non linéaire le signal optique issu de cette combinaison; - des moyens (9) effectuant l'analyse spectrale du signal après sa propagation dans le milieu non linéaire afin d'en tirer une information sur la fréquence et/ou la phase etiou l'amplitude de

l'impuision lumineuse que l'on cherche à caractériser.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le milieu

non linéaire comporte une fibre optique.

8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le milieu non linéaire comporte une fibre optique à dispersion décalée.

9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que

le milieu non linéaire comporte un miroir en boucle.

10. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens effectuant l'analyse spectrale comportent des moyens pour sélectionner au moins une longueur d'onde en sortie du milieu non linéaire, afin d'en mesurer l'intensité pour différentes valeurs de

retard introduit entre les deux impuisions lumineuses.

11. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour obtenir deux impuisions lumineuses comportent deux sources

lumineuses distinctes.

12. Dispositif selon la revendication 1 1, caractérisé en ce que les moyens pour obtenir deux impulsions lumineuses comportent des

moyens de synchronisation des sources lumineuses.

13. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour obtenir deux impuisions lumineuses comportent une seule

source lumineuse.

14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens pour obtenir deux impuisions lumineuses comportent des moyens pour dédoubler une impuision lumineuses en deux

impuisions lumineuses identiques.

15.Disposk salon la revendiceDon G. ceraArA en ce qua la source lumineuse continue compose une diode laser rAseau de Bragg distribu6.

16.DisposiT salon is revendicaBon G. caraAMsA en ce qua la source