FR2832227A1 - Egaliseur spectral dynamique mettant en oeuvre un miroir holographique semi-transparent programmable - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un égaliseur spectral dynamique, comprenant : - des moyens de démultiplexage d'un faisceau incident d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées, comprenant au moins un premier élément optique dispersif, de façon à former un multiplex spatial desdites au moins deux longueurs d'onde;- des moyens d'atténuation de la puissance spectrale associée à au moins une longueur d'onde dudit multiplex spatial, comprenant au moins un miroir holographique semi-transparent programmable, de façon à former un multiplex spatial égalisé;- des moyens de multiplexage dudit multiplex spatial égalisé, comprenant au moins un deuxième élément optique dispersif, de façon à former un faisceau égalisé d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées.
Description
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Egaliseur spectral dynamique mettant en oeuvre un miroir holographique semi-transparent programmable.
Le domaine de l'invention est celui des télécommunications par fibre optique. Plus précisément, l'invention concerne un égaliseur spectral dynamique permettant, dans le cadre d'un système de transmission multi-canaux, d'égaliser la densité de puissance spectrale du signal transmis.
La technique du multiplexage en longueurs d'onde (en anglais DWDM pour"Dense Wavelength Division Multiplexing") est de plus en plus fréquemment utilisée dans le domaine des télécommunications optiques. Elle permet en effet d'accroître le taux de transfert des données à travers une fibre monomode, en propageant de manière simultanée la lumière issue de plusieurs sources laser spectralement distinctes, mais de puissances égales, à travers la fibre optique.
Chaque source laser est associée à un canal de propagation dans la fibre.
Dans un système de transmission classique, on compte généralement une quarantaine de canaux, séparés d'environ 50 GHz (soit environ 0,4 nm). La largeur de bande de chacune des sources laser est très généralement inférieure à l'espacement entre canaux.
En vue d'optimiser le fonctionnement de réseaux de télécommunications de type DWDM, il est nécessaire de s'assurer quel les puissances véhiculées par chacun des canaux du système restent sensiblement égales les unes aux autres lorsque la lumière se propage, au travers du réseau, d'un émetteur vers un récepteur.
En d'autres termes, il est préférable que le système de transmission ne présente pas d'ondulations spectrales, c'est-à-dire qu'il présente une densité spectrale de puissance plate sur la largeur de la bande de transmission considérée.
Quand les puissances associées à chacun des canaux sont différentes, la densité de puissance spectrale n'est pas plate, car la puissance par canal, formée par une bande étroite autour d'une longueur d'onde centrale, n'est pas constante.
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Or, dans un système de communication optique, il existe de nombreux effets susceptibles de générer, au sein du signal véhiculé, des pertes et des gains dépendant de la longueur d'onde du signal transmis. Certains de ces effets peuvent être générés de manière intentionnelle, comme par exemple l'ajout ou la suppression de canaux, au moyen d'un multiplexeur optique insertion/extraction (en anglais, OADM pour"Optical Add/Drop Multiplexer"). D'autres effets, comme l'absorption, la diffusion et d'autres effets non linéaires apparaissant dans les fibres dopées ou non, dépendent de la distance de propagation et des propriétés dispersives des fibres.
Comme dans la plupart des systèmes de communication optiques, il est en outre nécessaire, dans les systèmes de type DWDM, de placer à intervalles réguliers sur le chemin optique, des amplificateurs destinés à anplifier le signal optique, pour compenser les pertes de puissance induites par les effets ci-dessus.
Il existe à ce jour plusieurs types d'amplificateurs optiques. Parmi les plus répandus, on peut citer les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (en anglais, SOA pour"Semiconductor Optical Amplifier"), les amplificateurs non-linéaires comme les amplificateurs de type Raman, et les amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (en anglais, EDFA pour"Erbium Doped Fiber Amplifier").
Les amplificateurs de type SOA et Raman peuvent opérer sur des largeurs de bande suffisantes pour couvrir la plus grande partie des bandes S, C et L (on rappelle que la bande S correspond aux longueurs d'ondes sensiblement comprises entre 1480 nm et 1520 nm, la bande C correspond aux longueurs d'ondes sensiblement comprises entre 1525 nm et 1565 nm, et la bande L correspond aux longueurs d'ondes sensiblement comprises entre 1570 nm et 1620 nm).
Cependant, les amplificateurs Raman présentent l'inconvénient de générer de grandes variations de gain sur une large bande spectrale (de l'ordre de quelques centaines de nanomètres) dépendantes de la charge du canal. Afin de réduire ces variations de gain, il est nécessaire d'aplatir la densité de puissance spectrale du signal véhiculé.
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Une solution proposée pour résoudre ce problème consiste à augmenter la densité et le nombre de pompes de Raman mises en oeuvre dans un tel système.
Mais cette solution a pour inconvénient d'être très coûteuse.
Pour atteindre un compromis nécessaire entre coûts et performances, et résoudre le problème des variations de gain évoqué ci-dessus, il est donc nécessaire de concevoir des égaliseurs spectraux dynamiques (en anglais DSE pour"Dynamic Spectral Equalizer") performants, qui soient adaptés aux techniques d'amplification décrites précédemment, et qui opèrent sur de larges bandes spectrales.
Cette nécessité est encore accrue pour les systèmes de type DWDM par rapport aux systèmes de communications optiques classiques, car les systèmes DWDM requièrent un grand nombre d'amplificateurs optiques, et présentent généralement d'importantes longueurs de fibres optiques, ce qui aggrave les effets affectant la densité de puissance spectrale décrits précédemment.
On connaît à ce jour deux techniques principales d'égalisation spectrale dynamique, à savoir l'égalisation par canaux individuels et l'égalisation par filtrage de Fourier : l'égalisation par canaux individuels consiste à séparer ou démultiplexer les canaux, à ajuster séparément la puissance des canaux, puis à recombiner ou remultiplexer les canaux ; l'égalisation spectrale dynamique par filtrage de Fourier consiste à découper la courbe de gain du système optique considéré en cinq à dix fenêtres d'une largeur de 3 à 6nm. Les fenêtres individuelles sont alors ajustées indépendamment du nombre de canaux qu'elles comprennent. Les technologies qui permettent un filtrage de
Fourier sont en nombre limité, et peuvent notamment être mises en oeuvre au moyen de dispositifs MachZehnder thermo-optiques, de filtres acousto-optiques accordables (en anglais AOTF pour "Acousto-Optic Tunable Filters"), et de réseaux de Bragg
Fourier sont en nombre limité, et peuvent notamment être mises en oeuvre au moyen de dispositifs MachZehnder thermo-optiques, de filtres acousto-optiques accordables (en anglais AOTF pour "Acousto-Optic Tunable Filters"), et de réseaux de Bragg
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électriquement commutables (en anglais ESBG pour "Electronically Switchable Bragg Gratings").
Ces différentes techniques connues d'égalisation spectrale dynamique par canaux individuels ou par filtrage de Fourier présentent de nombreux inconvénients.
Ainsi, les dispositifs thermo-optiques de type Mach-Zehnder ont pour inconvénient de présenter une grande dissipation de chaleur dans le substrat des guides d'onde, et une vitesse de reconfiguration faible.
On rappelle en effet qu'un filtre Mach-Zehnder thermo-optique est un interféromètre Mach-Zehnder à guide d'onde commandé par la température. Le chemin optique des bras de l'interféromètre est commandé en modifiant la température du matériau réfractif des bras. Les faisceaux sont alors combinés à l'aide d'un coupleur à deux sorties. Chaque sortie ne supporte qu'une des longueurs d'onde sous certaines conditions d'interférence constructive, et différentes longueurs d'onde peuvent être réglées par des différences de chemin optique en changeant la température du matériau rétractif
Les filtres de type AOTF exploitent quant à eux l'effet de Bragg produit quand des ondes acoustiques sont créées dans un matériau réfractif de manière colinéaire à la direction de propagation de la lumière. Les ondes acoustiques sont créées en plaçant le matériau dans un champ radio-fréquence (RF). Elles créent à leur tour des zones de compression et d'expansion qui donnent lieu à une modulation d'indice de réfraction, formant ainsi une structure périodique de Bragg.
Les filtres de type AOTF exploitent quant à eux l'effet de Bragg produit quand des ondes acoustiques sont créées dans un matériau réfractif de manière colinéaire à la direction de propagation de la lumière. Les ondes acoustiques sont créées en plaçant le matériau dans un champ radio-fréquence (RF). Elles créent à leur tour des zones de compression et d'expansion qui donnent lieu à une modulation d'indice de réfraction, formant ainsi une structure périodique de Bragg.
Un inconvénient de cette technique de l'art antérieur est que de tels filtres AOTF nécessitent des signaux radio-fréquence de grand puissance. En outre, de tels filtres sont coûteux et présentent un facteur de bruit élevé.
Les réseaux de type ESBG exploitent également l'effet de Bragg. Ils peuvent être réalisés à base de technologies holographiques à cristal liquide dispersé dans du polymère (encore appelées holo-PDLC). Cette technologie permet de réaliser des hologrammes de phase épais dans un substrat de polymère
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par un processus qui permet le contrôle de la bande passante diffracdve et de la longueur d'onde centrale du système. La structure diffractive peut être effacée par application d'un champ électrique. On peut ainsi contrôler le couplage entre le guide et le substrat, tout en minimisant les pertes d'insertion et la perte de polarisation de type PDL (en anglais"Polarisation Dependent Loss", pour"perte dépendante de la polarisation"). Cette technologie est très rapide, avec des temps de reconfiguration de l'ordre de 100 ils, ce qui permet de cascader un grand nombre de réseaux sans impact négatif sur le temps de réponse du système.
Une technique d'égalisation mettant en oeuvre des réseaux de type ESBG consiste typiquement à cascader une pluralité de guides d'ondes. Toutes les longueurs d'ondes d'un faisceau incident traversent l'ensemble des réseaux de Bragg ainsi cascadés, et subissent une atténuation de puissance correspondante.
Les égaliseurs à base d'ESBG présentent donc généralement des bandes passantes très limitées. En effet, pour accroître la bande passante, il est nécessaire de cascader un grand nombre de guides d'ondes, ce qui est coûteux, et induit de nombreux problèmes liés à la complexité de la fonction de transmission de l'ensemble ainsi constitué.
En outre, les systèmes d'égalisation connus à base d'ESBG présentent généralement des problèmes de dépendance à la polarisation de la lumière incidente, en raison de l'absence de symétrie circulaire des guides d'onde, et de rétrodiffusion. Leur dynamique spectrale est souvent insuffisante, la pente de l'atténuation en fonction de la longueur d'onde étant généralement importante.
Les approches espace libre de l'art antérieur, reposant sur une égalisation par canaux individuels, sont bien adaptées au traitement de larges gammes spectrales (de 100 nm et plus). Cependant, ces approches de l'art antérieur présentent également de nombreux inconvénients.
Un premier inconvénient de telles solutions est qu'elles présentent une dépendance à la polarisation et à la température En outre, ces approches par canaux isolés ne permettent pas de traiter aussi bien de larges gammes spectrales
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que des longueurs d'onde isolées, ce qui est pourtant nécessaire dans le cadre des réseaux à longue distance et métropolitains.
Un autre inconvénient de ces solutions est qu'elles ne sont généralement pas conformes aux spécifications sous-marines, en raison du grand volume occupé par les dispositifs conçus selon ces technologies.
Les approches espace libre ont encore pour inconvénient de présenter des temps de réponse lents, ce qui peut s'avérer être une limitation considérable pour la gestion des OADM dans les réseaux métropolitains.
L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur.
Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir une technique d'égalisation spectrale dynamique permettant d'égaliser des signaux optiques présentant une pluralité de longueurs d'ondes distinctes.
Un autre objectif de l'invention est de mettre en oeuvre une telle technque d'égalisation, qui soit rapide et adaptée à de larges bandes spectrales.
L'invention a aussi pour objectif de mettre en oeuvre une telle technique d'égalisation spectrale qui soit indépendante de la polarisation du faisceau incident.
L'invention a encore pour objectif de mettre en oeuvre une telle technique d'égalisation spectrale qui soit indépendante de la température.
L'invention a également pour objectif de fournir une telle technique qui présente des temps de reconfiguration faibles.
Un autre objectif de l'invention est de fournir une telle technique d'égalisation qui soit adaptée à tout type de réseau de communication optique, et notamment aux réseaux longue distance, aux réseaux métropolitains, et aux réseaux sous-marins.
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints à l'aide d'un égaliseur spectral dynamique, comprenant : des moyens de démultiplexage d'un faisceau incident d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées, comprenant au moins un premier élément
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optique dispersif, de façon à former un multiplex spatial desdites au moins deux longueurs d'onde ; des moyens d'atténuation de la puissance spectrale associée à au moins une longueur d'onde dudit multiplex spatial, comprenant au moins un miroir holographique semi-transparent programmable, de façon à former un multiplex spatial égalisé ; des moyens de multiplexage dudit multiplex spatial égalisé, comprenant au moins un deuxième élément optique dispersif, de façon à former un faisceau égalisé d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées.
Ainsi, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive de l'égalisation spectrale dynamique, reposant sur la combinaison d'optiques en espace libre à grand pouvoir dispersif et d'un miroir holographique semitransparent programmable. Une telle technique d'égalisation spectrale propose donc une solution innovante consistant à mettre en oeuvre, d'une part une technique de multiplexage/démultiplexage, et d'autre part un miroir holographique semi-transparent programmable pour atténuer une longueur d'onde isolée ou une bande de longueurs d'onde d'un multiplex de longueurs d'onde véhiculé sous forme de signal optique. Une telle approche permet avantageusement une adaptation du dispositif d'égalisation aux changements d'une ou plusieurs longueurs d'onde du multiplex. Elle permet en outre des temps de réponse plus rapides que selon les techniques connues de l'art antérieur.
Préférentiellement, lesdits premier et deuxième éléments optiques dispersifs sont confondus.
L'égaliseur spectral dynamique ainsi conçu est en effet plus compact.
De manière préférentielle, ledit miroir holographique est enregistré optiquement dans du cristal liquide dispersé dans du polymère (PDLC), de façon à former un holo-PDLC.
On rappelle que les holo-PDLC contiennent des gouttelettes de cristaux liquides présentant un effet électro-optique, et que leur structure périodique peut
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être modifiée (ou passer d'un état actif à un état inactif) par application d'un champ électrique.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ledit miroir holographique est un réseau holographique épais en réflexion.
Préférentiellement, ledit réseau holographique épais en réflexion est "chirpé".
En d'autres termes, on introduit un"chirp"spatial (c'est-à-dire une variation spatiale de la période du réseau sensiblement sous forme de rampe) dans le réseau holographique. Une telle caractéristique permet en effet de rendre l'égaliseur spectral dynamique de l'invention achromatique, ce qui constitue une importante amélioration par rapport aux techniques d'égalisation spectrale dynamique de l'art antérieur.
Avantageusement, ledit miroir holographique comprenant au moins deux strates, la direction de propagation dudit multiplex spatial incident sur ledit miroir holographique est sensiblement perpendiculaire auxdites strates.
De cette façon, l'atténuation des longueurs d'ondes, induites par le miroir holographique, est insensible à la polarisation du multiplex spatial.
De manière préférentielle, ledit élément optique dispersif est un réseau holographique épais de phase.
Un tel élément optique dispersif peut également être de toute autre nature apte à réaliser une fonction de multiplexage et de démultiplexage du faisceau de longueurs d'onde.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, un tel égaliseur spectral dynamique comprend en outre : au moins un port d'entrée dudit faisceau incident d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées dans ledit égaliseur ; au moins un premier port de sortie dudit faisceau égalisé d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées dudit égaliseur.
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De cette façon, le faisceau incident de longueurs d'onde multiplexées entre dans l'égaliseur de l'invention par le port d'entrée, et, après égalisation, quitte l'égaliseur par le premier port de sortie.
Selon une variante de réalisation avantageuse de l'invention, ledit port d'entrée et ledit premier port de sortie sont confondus.
Préférentiellement, ledit au moins un miroir holographique comprend au moins deux électrodes permettant de contrôler électriquement la réflectivité d'au moins certaines zones dudit miroir.
Ainsi, en fonction de la tension appliquée aux bornes des électrodes, on peut contrôler la fraction d'énergie de la longueur d'onde incidente qui est réfléchie par le miroir, de façon à réaliser une égalisation qui soit adaptée en fonction de chacune des longueurs d'onde du faisceau incident. On peut notamment découper la surface du miroir holographique en une pluralité de pixels, destinés à recevoir chacun une longueur d'onde différente du multiplex incident, et dont la réflectivité peut être individuellement contrôlée par un jeu d'électrodes adapté.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, un tel égaliseur comprend en outre : une fibre optique d'entrée (Fin) véhiculant ledit faisceau incident d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées vers ledit port d'entrée ; une première lentille (Ll), située de façon que ledit port d'entrée soit dans le plan focal objet de ladite première lentille ; une deuxième lentille (L2), située de façon que ledit miroir holographique soit dans le plan focal objet de ladite deuxième lentille, et que le plan focal objet de ladite deuxième lentille soit confondu avec le plan focal image de ladite première lentille ; une fibre optique de sortie (Fout) recevant, depuis ledit premier port de sortie, ledit faisceau égalisé d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées.
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On réalise ainsi un système 4-f, à savoir un système d'imagerie par double diffraction.
Selon une première variante de réalisation de l'invention, ledit élément optique dispersif est situé dans le plan focal image de ladite première lentille (LI) et dans le plan focal objet de ladite deuxième lentille (L2).
Selon une deuxième variante avantageuse de l'invention, ledit élément optique dispersif est un grisme, comprenant deux prismes et un réseau holographique épais de phase non-incliné, et ladite fibre optique d'entrée est placée sur l'axe optique dudit égaliseur.
Avantageusement, un tel égaliseur comprend en outre un circulateur à trois ports, permettant de transmettre ledit faisceau incident d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées de ladite fibre optique d'entrée (Fin) audit port d'entrée et de transmettre ledit faisceau égalisé d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées dudit port de sortie à ladite fibre optique de sortie (Fout)
Un tel circulateur permet ainsi de bloquer le passage du faisceau égalisé du port de sortie vers la fibre optique d'entrée, et isole donc la fibre optique d'entrée de la fibre optique de sortie.
Un tel circulateur permet ainsi de bloquer le passage du faisceau égalisé du port de sortie vers la fibre optique d'entrée, et isole donc la fibre optique d'entrée de la fibre optique de sortie.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit élément optique dispersif est mis en oeuvre dans une configuration en réflexion, et lesdites première et deuxième lentilles sont confondues.
Une telle configuration permet d'obtenir un gain notable en compacité de l'égaliseur spectral dynamique de l'invention. On notera que dans cette configuration, les notions de plan focal objet et de plan focal image de la lentille sont liées au seul sens de parcours de la lumière : en d'autres termes, b plan focal objet (respectivement image) de la lentille, lorsque la lumière la traverse du port d'entrée vers l'élément optique dispersif, correspond au plan focal image (respectivement objet) de cette même lentille, lorsque la lumière la traverse de l'élément optique dispersif vers le miroir holographique.
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Selon une deuxième variante de réalisation de l'invention, ledit élément optique dispersif est situé, entre lesdites première et deuxième lentilles, à proximité de ladite première lentille.
Un tel déplacement de l'élément optique dispersif permet d'ajouter, dans le plan d'imagerie, un multiplex angulaire au multiplex spatial.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, ledit élément optique dispersif et ladite première lentille sont remplacés par une lentille holographique unique, choisie de façon que le rayon axial d'une longueur d'onde dudit faisceau d'au moins deux longueurs d'ondes multiplexées passe par le foyer de ladite lentille holographique.
Ainsi, dans cette configuration, le multiplex angulaire se trouve autour de la perpendiculaire au miroir holographique, c'est-à-dire que l'une au moins des longueurs d'onde du faisceau multiplex arrive sur le miroir holographique perpendiculairement à ce dernier. On notera que, le système étant de type 4-f, le foyer de la lentille holographique coïncide avec le foyer de la deuxième lentille (L2).
Selon une variante de réalisation avantageuse de l'invention, un tel égaliseur comprend en outre un deuxième port de sortie, permettant de recevoir au moins une longueur d'onde dudit multiplex spatial transmise par ledit miroir holographique.
Ainsi, outre les longueurs d'onde égalisées réfléchies par le miroir holographique, qui sont récupérées sur le premier port de sortie, on peut aussi envisager de récupérer les longueurs d'ondes transmises par le miroir holographique, sur un deuxième port de sortie, en utilisant un système optique symétrique à celui de l'égaliseur décrit dans la présente demande.
Selon une première variante avantageuse de l'invention, ledit élément optique dispersif est un réseau holographique épais de phase non-incliné et ladite fibre optique d'entrée est placée à distance de l'axe optique dudit égaliseur.
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De tels réseaux holographiques non-inclinés présentent en effet plusieurs avantages technologiques par rapport aux réseaux à strates inclinées, notamment une insensibilité aux changements d'épaisseur.
Dans un autre mode de réalisation particulier de l'invention, ledit multiplex spatial est projeté sur ledit miroir holographique par un premier miroir (Ml), et ledit multiplex spatial égalisé transmis par ledit miroir holographique est dirigé vers ladite deuxième lentille par un deuxième miroir (M2).
Préférentiellement, l'un au moins des premier et deuxième miroirs est un prisme à réflexion interne totale.
Avantageusement, lesdites fibres optiques d'entrée et de sortie sont placées symétriquement par rapport audit axe optique.
Selon une première caractéristique avantageuse de ce mode de réalisation, un tel égaliseur comprend en outre un isolateur permettant d'isoler ladite fibre optique d'entrée dudit faisceau égalisé d'au moins deux longueurs d'ondes multiplexées.
De cette façon, le faisceau non-égalisé, réfléchi par le miroir holographique, ne peut pas être réinjecté dans la fibre d'entrée.
Préférentiellement, ledit miroir holographique est placé dans un plan focal virtuel, image du plan focal image de ladite deuxième lentille par ledit premier miroir (MI).
De manière préférentielle, lesdits premiers et deuxième miroirs font respectivement un angle de sensiblement 45 par rapport audit axe optique, et ledit miroir holographique est placé le long dudit axe optique.
Selon une deuxième caractéristique avantageuse de ce mode de réalisation, ledit miroir holographique est un miroir holographique à strates inclinées, et il est placé à distance d'un plan focal virtuel, image du plan focal image de ladite deuxième lentille par ledit premier miroir, de façon que ledit multiplex spatial réfléchi par ledit miroir holographique ne soit pas réinjecté dans ladite fibre optique d'entrée.
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Avantageusement, ledit égaliseur comprend en outre un deuxième port de sortie, permettant de recevoir au moins une longueur d'onde dudit multiplex spatial réfléchie par ledit miroir holographique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 présente un synoptique d'un premier mode de réalisation d'un égaliseur spectral dynamique selon l'invention ; la figure 2 illustre une version repliée de l'égaliseur spectral de la figure 1 ; la figure 3 décrit un troisième mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'hologramme épais commutable est placé le long de l'axe optique ; la figure 4 présente un quatrième mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'élément optique dispersif a été déplacé par rapport au mode de réalisation de la figure 1 ; la figure 5 illustre un cinquième mode de réalisation de l'invention, mettant en oeuvre une lentille holographique ; la figure 6 présente un exemple d'élément optique dispersif pouvant être mis en oeuvre dans un égaliseur spectral dynamique selon l'invention ; les figures 7 et 8 illustrent l'efficacité de diffraction d'un élément optique dispersif de l'invention, en fonction de la longueur d'onde ; les figures 9 et 10 présentent le spectre de dispersion spatiale d'un élément optique dispersif de la figure 6, en fonction de la longueur d'onde ; les figures 11 et 12 illustrent l'efficacité de diffraction d'un hologramme de phase pouvant être mis en oeuvre dans un égaliseur spectral dynamique de l'invention ; la figure 13 présente l'efficacité de diffraction d'un réseau de phase épais en réflexion pouvant être mis en oeuvre dans un égaliseur spectral dynamique de l'invention ; la figure 14 est une vue en coupe d'un hologramme en réflexion chirpé et
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pixellisé pouvant être mis en oeuvre dans un égaliseur spectral dynamique de l'invention.
Le principe général de l'invention repose sur la combinaison d'optiques en espace libre à grand pouvoir dispersif et d'un réseau épais en réflexion"chirpé", agissant comme un miroir semi-transparent programmable, utilisé pour atténuer des longueurs d'onde isolées ou des bandes de longueur d'onde.
Dans un mode de réalisation simple de l'invention, un égaliseur spectral dynamique reçoit d'un port d'entrée (typiquement une fibre optique) un multiplex de longueurs d'onde, véhiculant des données sur une pluralité de longueurs d'ondes Ai. En sortie de la fibre, le faisceau, de forme gaussienne, est imagé dans une configuration de base grâce à un système 4-f, présentant éventuellement un facteur d'agrandissement. Par système 4-f, on entend ici et dans toute la suite du document un système comprenant deux lentilles, dans lequel le plan focal image de la première lentille est confondu avec le plan focal objet de la seconde lentille.
Un tel système 4-f réalise une imagerie par double diffraction.
Le multiplex de longueurs d'onde est transformé en multiplex spatial grâce à un élément optique diffractif (de préférence un réseau épais) situé dans le plan de Fourier (c'est-à-dire dans le plan focal image de la première lentille et dans le plan focal objet de la deuxième lentille du système 4-f précité). Ce multiplex spatial illumine l'hologramme épais commutable. La structure de diffraction enregistrée dans le milieu holographique est telle que l'hologramme opère de façon similaire à un miroir et présente une modulation de période spatiale continue (ou"chirp"), afin de compenser la variation de longueur d'onde le long de l'axe de dispersion.
Des électrodes sont spatialement réparties sur l'hologramme épais commutable et permettent de contrôler localement l'efficacité de l'hologramme, qui se comporte comme un modulateur spatial de lumière (en anglais SLM pour "Spatial Light Modulator") pixellisé.
Les différents flux de données, portés par une longueur d'onde isolée Ai ou par une bande de longueurs d'onde, se focalisent sur différents pixels de
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l'hologramme épais commutable, et la fraction ri de l'énergie associée à la longueur d'onde À ; réfléchie par le holo-PDLC épais commutable peut être ajustée à l'aide d'une tension appliquée au pixel sur lequel la longueur d'onde Àj est focalisée.
Les longueurs d'onde réfléchies repassent ensuite par l'élément optique dispersif, qui agit comme compensateur de dispersion, et les différentes longueurs d'onde sont toutes réinjectées dans le port de sortie (typiquement une fibre optique).
Les longueurs d'onde transmises par l'hologramme épais commutable (selon une fraction d'énergie égale à ri) peuvent quant à elles être réinjectée dans un autre port (par exemple une autre fibre optique), en utilisant un système optique symétrique à celui décrit précédemment.
On présente, en relation avec la figure 1, un premier exemple de réalisation d'un égaliseur spectral dynamique selon l'invention.
L'égaliseur de la figure 1 reçoit un peigne DWDM en provenance d'une fibre optique d'entrée Fin. Ce faisceau incident de longueurs d'onde multiplexées est envoyé à la fibre optique F via un circulateur à trois ports C. La sortie 1 de la fibre optique F se trouve dans le plan focal objet d'une première lentille LI. Le peigne DWDM est transformé de Fourier par la première lentille Ll sur un élément optique dispersif D situé dans le plan focal image de cette dernière.
L'effet de l'élément optique dispersif D est de transformer le multiplex de longueurs d'onde (ou peigne DWDM) en un multiplex angulaire.
Ce multiplex angulaire, issu de l'élément optique dispersif D, est ensuite transformé en un multiplex spatial par une deuxième lentille L2, qui est positionnée de façon que l'élément optique dispersif D se trouve dans son plan focal image. Le multiplex spatial issu de la deuxième lentille L2 focalise dans le plan focal objet de cette dernière, et éclaire l'hologramme épais commutable H.
De chaque longueur d'onde Àj du multiplex spatial éclairant l'hologramme H, une fraction d'énergie n, commandable électriquement, est réfléchie dans
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l'égaliseur de l'invention, tandis que la fraction d'énergie ti = 1-ri de la longueur d'onde Ài est transmise à travers l'hologramme épais commutable H.
Les longueurs d'onde réfléchies dans l'égaliseur sous la forme d'un multiplex spatial égalisé sont projetées sur l'élément optique dispersif D via la deuxième lentille L2, qui retransforme le multiplex spatial égalisé par l'hologramme H en multiplex angulaire égalisé. Le multiplex angulaire égalisé est à son tour retransformé en multiplex de longueurs d'orde égalisé par l'élément optique dispersif D.
Enfin, le multiplex de longueurs d'onde égalisé issu de l'élément optique dispersif D est focalisé sur la fibre optique F par la première lentille LI, et chaque longueur d'onde du multiplex est réinjectée dans la fibre optique F avec une efficacité de couplage proportionnelle à la fraction d'énergie ï ; réfléchie par l'hologramme épais commutable H. Les longueurs d'onde entrantes et sortantes dans l'égaliseur de la figure 1 sont séparées par le circulateur à trcis ports C, les longueurs d'onde sortantes (et donc égalisées) étant envoyées à la fibre optique de sortie Fout, et isolées de la fibre optique d'entrée Fin.
On présente désormais, en relation avec la figure 2, un deuxième mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'élément optique dispersif D de la figure 1 est mis en oeuvre dans une configuration en réflexion. Une telle variante de réalisation présente l'avantage de permettre un gain notable en compacité, l'égaliseur spectral dynamique ainsi conçu étant beaucoup moins volumineux que celui présenté en figure 1.
Un faisceau de longueurs d'ondes multiplexées est incident sur l'égaliseur spectral dynamique de la figure 2 par la fibre optique d'entrée Fin, et transmis à une fibre optique F par l'intermédiaire d'un circulateur à trois ports C.
Le port d'entrée dans l'égaliseur du faisceau incident de longueurs d'ondes multiplexées correspond à la sortie 1 de la fibre optique F, et est situé dans le plan focal objet d'une lentille L Le multiplex incident est transformé de Fourier par la lentille L sur un élément optique dispersif réfléchissant D, situé dans le plan focal image de la lentille L.
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L'élément optique dispersif réfléchissant D transforme le multiplex de longueurs d'ondes en un multiplex angulaire, et réfléchit l'ensemble des longueurs d'ondes vers la lentille L.
Cette dernière transforme le multiplex angulaire incident en un multiplex spatial, qui éclaire un miroir holographique semi-transparent commandable H, situé dans le plan focal objet de la lentille L, c'est à dire dans le même plan que le port d'entrée de l'égaliseur.
Le miroir holographique H réfléchit, pour chacune des longueurs d'ondes Ai du multiplex spatial, une fraction r, de l'énergie associée, en fonction de la tension appliquée au miroir holographique H, et du point d'impact de la longueur d'onde À, sur le miroir holographique H. Ces aspects seront décrits plus en détails dans la suite du document.
Le faisceau réfléchi au moins partiellement par le miroir holographique H, sous la forme d'un multiplex spatial égalisé est retransformé en multiplex angulaire par la lentille L, qu'il traverse avant d'éclairer l'élément optique dispersif réfléchissant D.
Ce dernier transforme le multiplex angulaire égalisé en un faisceau égalisé de longueurs d'ondes multiplexé, qu'il réfléchit en direction de la lentille L.
La lentille L focalise ensuite le multiplex égalisé en longueurs d'ondes sur la sortie 1 de la fibre optique F. Le circulateur C transmet le faisceau égalisé de longueurs d'onde multiplexées vers la fibre optique de sortie Fout, et bloque son passage vers la fibre optique d'entrée Fin.
La figure 3 présente un troisième mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'hologramme épais commutable (ou miroir holographique semitransparent commandable) H est placé le long de l'axe optique de l'égaliseur spectral dynamique. Cette configuration est telle que les longueurs d'onde égalisées par l'hologramme H sont injectées dans une fibre optique de sortie Fout distante de la fibre optique d'entrée En sans que ces deux fibres ne soient reliées par un circulateur.
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L'égaliseur de la figure 3 présente une première lentille LI, un élément optique dispersif D, et une deuxième lentille L2, qui remplissent des fonctions similaires à celles de l'égaliseur de la figure 1, et qui ne seront donc pas décrites ici plus en détails.
Les longueurs d'onde du multiplex spatial issu de la deuxième lentille L2 sont projetées sur le miroir holographique H par un premier miroir Ml (de préférence un prisme à réflexion interne totale) qui fait un angle de 45 par rapport à l'axe optique de l'égaliseur. On peut bien sûr également envisager d'utiliser un miroir MI présentant un angle différent de 45 : on place alors le miroir holographique H, non plus sur l'axe optique, mais dans un plan focal virtuel, image du plan focal image de L2 par le miroir Ml.
Les longueurs d'onde du multiplex spatial transmises par l'hologramme épais commutable H (c'est-à-dire les longueurs d'onde égalisées du multiplex spatial) sont réinjectées dans l'égaliseur par l'intermédiaire d'un deuxième miroir (de préférence un prisme à réflexion interne totale) qui fait également un angle de 45 par rapport à l'axe optique de l'égaliseur. A nouveau, le miroir M2 peut
0 également présenter un angle différent de 45 .
0 également présenter un angle différent de 45 .
Comme dans l'égaliseur de la figure 1, le multiplex spatial égalisé est retransformé en multiplex égalisé de longueurs d'onde par le système optique constitué de l'élément optique dispersif D et des première et deuxième lentilles LI et L2.
Dans ce mode de réalisation cependant, les longueurs d'onde égalisées issues de la première lentille Ll focalisent sur la fibre optique de sortie Fout placée symétriquement à la fibre optique d'entrée Fin par rapport à l'axe optique de l'égaliseur.
Les longueurs d'onde réfléchies par l'hologramme H, après avoir traversé le système optique (D, LI, L2) sont, par construction, réinjectées dans la fibre optique d'entrée Fin. Un tel inconvénient peut aisément être levé, par exemple en plaçant un isolateur à l'extrémité de la fibre optique d'entrée It'n, ou en aiguillant le faisceau réfléchi vers une fibre optique de contrôle, non représentée sur la figure
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3, au moyen d'un circulateur à trois ports également placé à l'extrémité de la fibre optique d'entrée Fin.
On peut également envisager de mettre en oeuvre un miroir holographique H à strates inclinées, et de décaler ce miroir H du plan focal image de la deuxième lentille L2 imagé par le premier miroir Ml (c'est-à-dire de décaler le miroir holographique H de l'axe optique dans le cas où le premier miroir Ml fait un angle de 45 par rapport à l'axe optique de l'égaliseur).
La variante de réalisation illustrée en figure 4 diffère de l'égaliseur présenté en figure 1 en ce que l'élément optique dispersif D est déplacé du plan focal des première et deuxième lentilles LI et L2, pour être rapproché de la première lentille LI. Une telle configuration ajoute, dans le plan d'imagerie, un multiplex angulaire (autour d'un angle non-nul par rapport à la normale au miroir holographique semi-transparent programmable H) au multiplex spatial.
Les flèches représentées en traits pointillés entre l'élément optique dispersif D et l'hologramme H représentent les rayons axiaux correspondants à deux longueurs d'ondes du multiplex considéré, Àm et An, avec Àm < Àn.
Les avantages de cette réalisation seront discutés plus en détails dans la suite du document.
Dans le mode de réalisation illustré en figure 5, l'ensemble optique comprenant la première lentille LI et l'élément optique dispersif D est remplacé par un élément unique, à savoir une lentille holographique HL. On choisit de préférence la lentille holographique HL de façon que le rayon axial d'une des longueurs d'onde du multiplex angulaire passe par le foyer PF de la lentille holographique. Il en résulte que le multiplex angulaire est désormais autour de la perpendiculaire au miroir holographique de type holo-PDLC H.
On a représenté sur la figure 5 les rayons axiaux associés à deux longueurs
d'ondes ÀI et À2 du multiplex considéré. Le rayon axial associé à la longueur d'onde est représenté en trait plein entre la lentille holographique HL et la deuxième lentille L2 d'une part, et entre la deuxième lentille L2 et le miroir holographique H d'autre part. Le rayon axial associé à la longueur d'onde À2 est
d'ondes ÀI et À2 du multiplex considéré. Le rayon axial associé à la longueur d'onde est représenté en trait plein entre la lentille holographique HL et la deuxième lentille L2 d'une part, et entre la deuxième lentille L2 et le miroir holographique H d'autre part. Le rayon axial associé à la longueur d'onde À2 est
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représenté en traits pointillés entre la lentille holographique HL et la deuxième lentille L2 d'une part, et entre la deuxième lentille L2 et le miroir holographique H d'autre part. ; est la plus petite longueur d'onde du peigne DWDM entrant dans l'égaliseur, et Â2 est la longueur d'onde suivante dans le peigne.
On décrit désormais plus en détails les caractéristiques techniques et fonctionnelles de l'élément optique dispersif D et du miroir holographique semitransparent commandable H, utilisés dans les modes de réalisation des figures 1 à 5. Le principe général de l'invention repose en effet sur la combinaison de ces deux éléments, mis en oeuvre dans une configuration d'utilisation prédéterminée, pour réaliser un égaliseur spectral dynamique rapide, à grande bande spectrale.
Les caractéristiques principales de l'élément optique dispersif D sont sa bande passante spectrale (incluant des effets de polarisation), son efficacité et son pouvoir dispersif. Un élément optique dispersif D idéal présenterait les caractéristiques suivantes : un grand pouvoir dispersif, de façon à pouvoir séparer spatialement les spots imagés correspondant aux points d'impact des différentes longueurs d'onde du multiplex à égaliser sur le miroir holographique de type holo-PDLC H ; une efficacité sensiblement égale à 100% sur la bande de longueurs d'onde considérée ; une insensibilité à la polarisation du faisceau de longueurs d'onde multiplexées.
Les réseaux holographiques épais de phase (en anglais VPH pour"Volume Phase Holographic Gratings") ont des caractéristiques proches de celles de l'élément optique dispersif idéal. Les réseaux VPH sont enregistrés optiquement en plaçant un film photosensible d'une épaisseur de plusieurs dizaines de microns dans la région d'interférence de deux faisceaux de lumière cohérente. La figure d'interférence est enregistrée dans le volume du film sous forme d'une modulation généralement sinusoïdale de l'indice de réfraction.
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Afin de satisfaire aux conditions énumérées plus haut (grand pouvoir dispersif, grande efficacité, insensibilité à la polarisation), il est nécessaire d'utiliser un matériau photosensible qui puisse donner lieu à une forte modulation de l'indice de réfraction, qui absorbe et diffuse peu dans la bande de longueurs d'onde considérée, et qui présente une grande durée de vie. La gélatine dichromatée (DCG) et les photopolymères sont des matériaux presque idéaux pour l'enregistrement de réseaux de type VPH, ainsi qu'exposé par R. R A. Syms, dans"Practical Volume Holography" (en français"Holographie de volume pratique"), Clarendon Press, Oxford, 1990. En effet, leur efficacité de diffraction peut être supérieure à 95%. En outre, les réseaux à base de DCG ont des durées de vie d'au moins 20 ans, s'ils présentent des conditions de scellage adéquates.
Tout comme les réseaux minces traditionnels, les réseaux VPH diffractent la lumière selon l'équation classique des réseaux. Or, la distribution de l'énergie diffractée est gouvernée par la condition de Bragg :
où n est l'indice de réfraction moyen du milieu, OB est l'angle d'incidence et de diffraction à l'intérieur du réseau, mesuré par rapport aux strates (encore appelé angle de Bragg), AB est la longueur d'onde de Bragg (dans le vide) et A est la période du réseau.
où n est l'indice de réfraction moyen du milieu, OB est l'angle d'incidence et de diffraction à l'intérieur du réseau, mesuré par rapport aux strates (encore appelé angle de Bragg), AB est la longueur d'onde de Bragg (dans le vide) et A est la période du réseau.
L'énergie diffractée par le réseau est maximale quand le couple longueur d'onde et angle d'incidence de la lumière incidente satisfait la condition de Bragg.
Un faisceau dont les caractéristiques dévient légèrement par rapport aux conditions de Bragg peut être diffracté de manière efficace selon les paramètres du réseau.
A l'aide de la théorie des ondes couplées de Kogelnik (H. Kogelnik, "Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings" (en français,"théorie des ondes couplées pour les réseaux holographiques épais"), The Bell System Technical Journal, 1969), on peut estimer l'efficacité de diffraction au premier ordre d'un réseau VPH de transmission non-incliné idéal :
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smJl+) 111 = (1+ X%2) C/ ins ou o= ou (8s) 1 Y ; I/D cos (e) où (D =-7rà nd X cos ) B), TrJ F cos (e, ;) l 1 cos (8 s) A 2nA'
AO est la déviation de l'angle par rapport à l'angle de Bragg os, ana est la déviation de la longueur d'onde (dans le vide) par rapport à la longueur d'onde de Bragg AB.
Sous condition de Bragg (usa = 0 et AO = 0), l'efficacité de diffraction devient :
1
1
Cette équation montre que le maximum de l'efficacité de diffraction d'un réseau VPH de transmission est atteint si la relation suivante entre la longueur d'onde, la modulation d'indice et l'épaisseur du réseau est satisfaite :
Tout comme les réseaux minces traditionnels, les réseaux VPH sont en outre sensibles à la polarisation de la lumière incidente. Les équations ci-dessus sont valables pour une polarisation de la lumière de type TE. Si la lumière incidente est polarisée dans le plan TM, il faut corriger le paramètre (D de la façon suivante :
Tant que l'angle entre les faisceaux incident et diffracté n'est pas proche de 90 , l'efficacité de diffraction ne varie guère selon l'état de polarisation.
Dans le cadre de la présente invention, on utilise de préférence des réseaux VPH non-inclinés, qui présentent plusieurs avantages technologiques par rapport aux réseaux VPH dont les strates sont inclinées, comme par exemple l'insensibilité aux changements d'épaisseur.
L'invention s'applique bien sûr également à tout autre type d'élément optique dispersif, et notamment aux réseaux de type VPH présentant des strates inclinées. Cependant, par souci de simplification, on s'attachera dans la suite du
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document à décrire le cas des réseaux VPH non-inclinés. Il sera aisé, pour un Homme du Métier, d'en déduire les caractéristiques d'un égaliseur spectral dynamique selon l'invention mettant en oeuvre tout autre type d'élément optique dispersif.
Pour pouvoir mettre en oeuvre un réseau VPH non-incliné dans l'égaliseur spectral dynamique de la figure 1, il est nécessaire d'adapter l'architecture du système optique illustrée.
Une première adaptation possible du montage de la figure 1 consiste à déplacer la fibre optique d'entrée En de l'axe optique, ainsi qu'illustré par exemple en figure 3.
Une deuxième adaptation possible consiste à maintenir la fibre optique d'entrée Fin sur l'axe optique, ainsi qu'illustré en figure 1, et à utiliser une combinaison de deux prismes et d'un réseau VPH non-incliné en tant qu'élément optique dispersif D. Une telle combinaison, illustrée en figure 6, est appelée grisme.
Un tel grisme comprend un premier prisme PI, un réseau de type VPH noté VPHG sur la figure 6, et un deuxième prisme P2. Le réseau non-incliné VPHG présente des strates F perpendiculaires aux faces du réseau. Le trait pointillé L traversant le grisme de part en part représente un faisceau de lumière.
On notera que, par souci de simplification, on n'a décrit ici que les modifications à apporter au schéma de la figure 1 pour pouvoir utiliser comme élément optique dispersif un réseau de type VPH non-incliné. Il sera bien sûr aisé, pour un Homme du Métier, d'en déduire les modifications à apporter aux schémas des figures 2 à 5 pour pouvoir mettre en oeuvre de tels réseaux VPH dans l'égaliseur spectral dynamique de l'invention.
Les figures 7 et 8 présentent des résultats de simulation numériques de distribution de l'efficacité de diffraction pour deux réseaux VPH de périodes spatiales différentes (respectivement 3 et 4 microns). Sur ces deux figures, l'épaisseur du film photosensible est de 50 microns pour les deux réseaux, l'indice
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de réfraction moyen est de 1.51 et la modulation d'indice de réfraction An est sensiblement égale à 0, 015 et diffère pour chacun des deux réseaux.
Les figures 9 et 10 présentent les caractéristiques de dispersion spatiale simulées de ces réseaux quand ils sont placés dans le plan de Fourier d'un montage 4-f, par exemple du type du montage de la figure 1. Les résultats de la figure 9 sont obtenus avec une distance focale de 100 mm. Les résultats de la figure 10 sont obtenus avec une distance focale de 75 mm
Le pouvoir de dispersion (Ax/AR) résultant de la configuration de la figure 9 est de 27.5 microns/nm, c'est-à-dire que, pour un espacement entre canaux DWDM de 0.4 nm, la distance entre deux spots associés à deux longueurs d'onde juxtaposées sur le miroir holographique H est approximativement égale à 11 microns.
Le pouvoir de dispersion (Ax/AR) résultant de la configuration de la figure 9 est de 27.5 microns/nm, c'est-à-dire que, pour un espacement entre canaux DWDM de 0.4 nm, la distance entre deux spots associés à deux longueurs d'onde juxtaposées sur le miroir holographique H est approximativement égale à 11 microns.
Le pouvoir de dispersion (Ax/AX) résultant de la configuration de la figure 10 est de 26 microns/nm, c'est-à-dire que, pour un espacement entre canaux DWDM de 0.4 nm, la distance entre deux spots associés à deux bngueurs d'onde juxtaposées sur le miroir holographique H est approximativement égale à 10.4 microns.
On s'attache désormais à décrire les caractéristiques techniques et fonctionnelles de l'élément de l'invention qui réalise l'égalisation spectrale du faisceau de longueurs d'onde multiplexées, à savoir l'hologramme épais commutable.
Un tel hologramme épais génère un front d'onde prédéterminé au moyen de structures diffractives enregistrées dans un milieu holographique. Une caractéristique importante de hologrammes épais est que l'efficacité avec laquelle le front d'onde est généré dépend fortement de la longueur d'onde et de l'angle d'incidence de la lumière par rapport à l'hologramme.
L'efficacité est maximale pour un éclairage à la longueur d'onde de Bragg, et avec un angle d'incidence égale à l'angle de Bragg. Un hologramme épais commutable est un hologramme épais dont l'efficacité de diffraction peut être commandée électriquement entre 0 % et 100 %.
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Dans le cadre de la présente invention, un hologramme épais commutable est utilisé de façon à reproduire l'effet d'un miroir dont la réfe1ctivité à la condition de Bragg peut être variée entre sensiblement 0 % et 100 %.
Cet hologramme est enregistré optiquement dans du cristal liquide dispersé dans du polymère (en anglais PDLC pour"Polymer Dispersed Liquid Crystal") lors d'un processus à une étape, permettant de former un holo-PDLC. Comme reporté par R. Sutherland et al. dans le document de brevet US 5,942, 157 ("Switchable Volume Hologram Materials and Devices", en français"dispositifs et matériaux holographiques de volume commutables"), les matériaux PDLC permettent l'enregistrement d'hologrammes de phase en réflexion présentant de grandes efficacités de diffraction. Les tensions de commutation peuvent devenir aussi petites que 50 Vrms pour des fréquences de 1-2 kHz, en ajoutant par exemple un surfactant au matériau PDLC.
Un échantillon est préparé en appliquant un mélange formé d'un monomère, d'un cristal liquide, d'un monomère de liaison, d'un co-initiateur, d'un colorant photo-initiateur et d'un surfactant entre deux plaques de verres séparées par des espaceurs d'épaisseur appropriée, ainsi que détaillé dans la suite du document. Les plaques de verre sont recouvertes de bandes d'oxyde d'indium- étain (en anglais ITO pour"indium tin oxyde") formant des électrodes pixellisées.
L'échantillon est alors placé dans la région d'interférence de deux faisceaux de lumière cohérente et un processus de photopolymérisation est induit par la distribution d'intensité optique. Dans les zones de grande illumination, la concentration en gouttelettes de cristaux liquides (LC) sera petite, alors que les zones de faible illumination seront riches en gouttelettes de cristaux liquides.
Ainsi, la figure d'interférence est enregistrée sous forme d'une variation de concentration de gouttelettes de cristaux liquides dans le matériau PDLC. Comme l'indice de réfraction des gouttelettes de cristaux liquides est différent de celui du polymère qui les entoure, l'hologramme est stocké sous forme d'une modulation d'indice de réfraction dans le milieu holographique. La différence d'indice de réfraction des gouttelettes de cristaux liquides et du polymère peut être
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commandée par la tension appliquée aux électrodes d'ITO. Comme l'efficacité de diffraction d'un hologramme épais de phase dépend de la modulation d'indice de réfaction, cette efficacité peut être contrôlée par la tension appliquée aux électrodes.
Un facteur important déterminant l'effet du milieu PDLC sur la lumière qui l'éclaire est la taille des gouttelettes de cristaux liquides.
Si la taille des gouttelettes est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de la lumière incidente, les gouttelettes agissent comme des diffuseurs de Rayleigh.
Si la taille des gouttelettes est beaucoup plus petite que la longueur d'onde de la lumière incidente (par exemple pour une taille de gouttelettes inférieure à 100 nm pour le proche infra-rouge), le milieu PDLC devient optiquement isotrope (c'est-à-dire qu'il n'y a pas de diffusion) dans la direction colinéaire au champ appliqué avec un indice de réfaction net déterminé par l'indice de réfraction du polymère et celui des gouttelettes de cristal liquide.
La taille des gouttelettes de cristaux liquides est fonction de la vitesse de polymérisation du système PDLC : plus cette vitesse est grande, plus les gouttelettes de cristal liquide seront petites. Afin de produire des hologrammes de phase de bonne qualité, il faut que la taille des gouttelettes soit assez petite de façon que le holo-PDLC agisse comme un milieu déphasant et non-diffusant.
Sutherland et al. (US 5,942, 157) ont rapporté l'enregistrement d'hologrammes dans des matériaux PDLC avec des gouttelettes de cristal liquide dont la taille est dans la gamme 30-50 nm, ce qui est approprié pour la production d'hologrammes de phase ayant une grande efficacité de diffraction.
L'hologramme épais commutable utilisé dans cette invention doit agir comme un miroir semi-transparent programmable. La structure de diffraction est donc formée par des strates parallèles aux faces du milieu holographique. Ce type d'hologramme est appelé hologramme en réflexion. Sous incidence normale, les hologrammes en réflexion ont la caractéristique importante d'être insensible à la polarisation.
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Pour un hologramme de phase en réflexion éclairé sous incidence normale, l'efficacité de diffraction, il, est donnée par :
où ÂB est la longueur d'onde de Bragg (dans le vide) reliée à la période du réseau A par AB = 2nA, n est l'indice de réfraction moyen du milieu holographique, An est la modulation d'indice de réfraction, ! 1À est la déviation de la longueur d'onde par rapport à la longueur d'onde de Bragg et d est l'épaisseur de l'hologramme.
où ÂB est la longueur d'onde de Bragg (dans le vide) reliée à la période du réseau A par AB = 2nA, n est l'indice de réfraction moyen du milieu holographique, An est la modulation d'indice de réfraction, ! 1À est la déviation de la longueur d'onde par rapport à la longueur d'onde de Bragg et d est l'épaisseur de l'hologramme.
Cette expression est valable pour tous les états de polarisation de la lumière incidente.
Sous condition de Bragg (AÀ = (Y) l'efficacité de diffraction devient :
Cette relation montre que l'efficacité de diffraction augmente avec le produit And. Or An dépend de l'amplitude du champ électrique à l'intérieur du matériau PDLC, qui augmente avec la tension et décroît avec l'épaisseur de l'hologramme d. Pour une épaisseur de l'hologramme de 20 microns, la plus grande valeur de la modulation d'indice qu'on puisse atteindre, tout en maintenant de faibles tensions de commutation, est inférieure à 0.05, ainsi qu'exposé par A. K. Fontenecchio, Ch. C. Bowles et G. P. Crawford dans"Improvement of holographically formed polymer dispersed liquid crystal performance through acrylated monomer functionality studies" (en français"Amélioration des performances des cristaux liquides dispersés dans du polymère formé holographiquement par l'étude des fonctionnalités des monomères acrylatés"), SPIE Conference on Liquid Crystals III, 1999.
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La figure 11 présente un graphe de l'efficacité de diffraction en fonction de la modulation d'indice de réfraction An pour un hologramme de phase d'une épaisseur de d = 20 microns, éclairé à la longueur d'onde de Bragg AB = 1. 55its.
La figure 12 présente quant à elle un graphe de l'efficacité de diffraction en fonction de la longueur d'onde pour un hologramme de phase d'une épaisseur de d = 20 microns, d'une modulation d'indice de réfraction de 0.03 et d'une période de A = 0. 505Am.
Ce graphe montre qu'il est impossible de couvrir une large gamme de longueurs d'onde en gardant la période du réseau constante. Afin de compenser la variation de longueur d'onde le long de l'axe de dispersion (c'est-à-dire afin de compenser le chromatisme dû aux optiques diffractives de l'égaliseur), les inventeurs de la présente demande ont envisagé d'introduire un"chirp"spatial dans le réseau holographique H.
Par"chirp"spatial, on entend ici, et dans toute la suite du document, une variation spatiale de la période du réseau holographique H, sensiblement selon une rampe.
Ainsi, plus la longueur d'onde de la lumière incidente est grande, plus la période du réseau holographique qui se trouve derrière le pixel éclairé par la longueur d'onde considérée sera grande. Un hologramme commutable H dont la période varie de manière continue de A = 0.49 microns à A = 0.52 microns couvre donc une gamme de longueurs d'onde de A= 1.5 microns à A = 1. 6 microns (en supposant que l'indice de réfraction moyen du matériau PDLC est de 1.53). Ceci est illustré par le graphe de la figure 13, qui donne l'efficacité de diffraction d'un réseau de phase épais en réflexion H de 20 microns d'épaisseur, de modulation d'indice de réfraction de An n = 0, 03, présentant un taux de chirp (AA/Ax) de
1.2 * 10-5, en supposant que le pouvoir dispersif (Ax/A,) des optiques (c'est-à-dire de l'élément otique dispersif D et des lentilles LI et L2) est de 25 microns/nm.
1.2 * 10-5, en supposant que le pouvoir dispersif (Ax/A,) des optiques (c'est-à-dire de l'élément otique dispersif D et des lentilles LI et L2) est de 25 microns/nm.
Un réseau en réflexion chirpé peut être enregistré en plaçant l'échantillon PDLC dans la région d'interférence de deux faisceaux divergents. La figure 14
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donne une représentation schématique d'un hologramme épais chirpé commutable et pixellisé, réalisé avec un tel montage d'enregistrement.
Un tel hologramme présente six électrodes E, une masse commune CG, deux plaques de verre G, et des strates chirpées P. Les doubles flèches Al à dz représentées sur la figure 14, incidentes sur les six électrodes E, représentent six longueurs d'ondes du peigne DWDM alimentant l'égaliseur de l'invention, présentant chacune un point d'impact sur un pixel différent de l'hologramme H.
On a Ai < À2 < .., < À6. Chacune de ces longueurs d'onde sera donc réfléchie différemment par l'hologramme H, en fonction de la tension appliquée sur l'électrode E correspondant au point d'impact de la longueur d'onde Ài.
Comme illustré par cette figure 14, les franges d'un réseau chirpé sont légèrement inclinées les unes par rapport aux autres. Cependant, l'angle entre deux franges adjacentes étant inférieur à 1CF3 degrés, on peut considérer, par approximation, que les franges sont parallèles les unes aux autres, comme développé par S. M. Schutz, E. N. Glytsis et T. K. Gaylord dans"Design of a high-efficiency volume grating coupler for line focusing" (en français "Conception d'un coupleur de réseau volumique de haute efficacité pour la focalisation de ligne"), Applied Optics, 1998.
Ce gradient d'inclinaison des franges peut être minimisé en ajoutant un multiplex angulaire au multiplex spatial, c'est-à-dire en compensant la variation spatiale de longueur d'onde le long de la direction de dispersion par une variation spatiale de l'angle d'incidence des longueurs d'onde. Une telle compensation peut être réalisée en déplaçant l'élément optique dispersif multiplexant D du plan focal du montage 4f, ainsi qu'illustré dans le montages des figures 4 et 5.
Afin de garantir l'isotropie optique du holo-PDLC H en réflexion il faut, dans ce cas, compliquer le jeu des électrodes et contre-électrodes, de façon à ce que le champ à l'intérieur du holo-PDLC soit colinéaire à la direction de propagation des longueurs d'onde.
Claims (27)
- REVENDICATIONS 1. Egaliseur spectral dynamique, caractérisé en ce qu'il comprend : des moyens de démultiplexage d'un faisceau incident d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées, comprenant au moins un premier élément optique dispersif, de façon à former un multiplex spatial desdites au moins deux longueurs d'onde ; des moyens d'atténuation de la puissance spectrale associée à au moins une longueur d'onde dudit multiplex spatial, comprenant au moins un miroir holographique semi-transparent programmable, de façon à former un multiplex spatial égalisé ; des moyens de multiplexage dudit multiplex spatial égalisé, comprenant au moins un deuxième élément optique dispersif, de façon à former un faisceau égalisé d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées.
- 2. Egaliseur spectral dynamique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième éléments optiques dispersifs sont confondus.
- 3. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit miroir holographique (H) est enregistré optiquement dans du cristal liquide dispersé dans du polymère (PDLC), de façon à former un holo-PDLC.
- 4. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit miroir holographique (H) est un réseau holographique épais en réflexion.
- 5. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit miroir holographique (H) est"chirpé".
- 6. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, ledit miroir holographique (H) comprenant au moins deux strates, la direction de propagation dudit multiplex spatial incident sur ledit miroir holographique est sensiblement perpendiculaire auxdites strates.
- 7. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit élément optique dispersif (D) est un réseau holographique épais de phase.<Desc/Clms Page number 31>
- 8. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : au moins un port d'entrée (1) dudit faisceau incident d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées dans ledit égaliseur ; au moins un premier port de sortie dudit faisceau égalisé d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées dudit égaliseur.
- 9. Egaliseur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit port d'entrée et ledit premier port de sortie sont confondus.
- 10. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit au moins un miroir holographique comprend au moins deux électrodes permettant de contrôler électriquement la réflectivité d'au moins certaines zones dudit miroir.
- 11. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : une fibre optique d'entrée (Fin) véhiculant ledit faisceau incident d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées vers ledit port d'entrée ; une première lentille (LI), située de façon que ledit port d'entrée soit dans le plan focal objet de ladite première lentille ; une deuxième lentille (L2), située de façon que ledit miroir holographique soit dans le plan focal image de ladite deuxième lentille, et que le plan focal objet de ladite deuxième lentille soit confondu avec le plan focal image de ladite première lentille ; une fibre optique de sortie (Fout) recevant, depuis ledit premier port de sortie, ledit faisceau égalisé d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées.
- 12. Egaliseur selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit élément optique dispersif (D) est situé dans le plan focal image de ladite première lentille (LI) et dans le plan focal objet de ladite deuxième lentille (L2).
- 13. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que ledit élément optique dispersif est un grisme, comprenant deux prismes<Desc/Clms Page number 32>et un réseau holographique épais de phase non-incliné, et en ce que ladite fibre optique d'entrée est placée sur l'axe optique dudit égaliseur.
- 14. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circulateur à trois ports, permettant de transmettre ledit faisceau incident d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées de ladite fibre optique d'entrée (Fin) audit port d'entrée et de transmettre ledit faisceau égalisé d'au moins deux longueurs d'onde multiplexées dudit port de sortie à ladite fibre optique de sortie (Fout).
- 15. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que ledit élément optique dispersif est mis en oeuvre dans une configuration en réflexion, et en ce que lesdites première et deuxième lentilles sont confondues.
- 16. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 11, 13 et 14, caractérisé en ce que ledit élément optique dispersif est situé, entre lesdites première et deuxième lentilles, à proximité de ladite première lentille.
- 17. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 11 et 14, caractérisé en ce que ledit élément optique dispersif et ladite première lentille sont remplacés par une lentille holographique unique (HL), choisie de façon que le rayon axial d'une longueur d'onde dudit faisceau d'au moins deux longueurs d'ondes multiplexées émerge de ladite lentille holographique en passant par un foyer de ladite lentille holographique.
- 18. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième port de sortie, permettant de recevoir au moins une longueur d'onde dudit multiplex spatial transmise par ledit miroir holographique.
- 19. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que ledit élément optique dispersif est un réseau holographique épais de phase non-incliné et en ce que ladite fibre optique d'entrée est placée à distance de l'axe optique dudit égaliseur.<Desc/Clms Page number 33>
- 20. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 11,12 et 19, caractérisé en ce que ledit multiplex spatial est projeté sur ledit miroir holographique par un premier miroir (MI), et en ce que ledit multiplex spatial égalisé transmis par ledit miroir holographique est dirigé vers ladite deuxième lentille par un deuxième miroir (M2).
- 21. Egaliseur selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'un au moins des premier et deuxième miroirs est un prisme à réflexion interne totale.
- 22. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 20 et 21, caractérisé en ce que lesdites fibres optiques d'entrée et de sortie sont placées symétriquement par rapport à l'axe optique dudit égaliseur.
- 23. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 20 à 22, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un isolateur permettant d'isoler ladite fibre optique d'entrée dudit multiplex spatial réfléchi par ledit miroir holographique.
- 24. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 20 à 23, caractérisé en ce que ledit miroir holographique est placé dans un plan focal virtuel, image du plan focal image de ladite deuxième lentille par ledit premier miroir (MI).
- 25. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 20 à 24, caractérisé en ce que lesdits premiers et deuxième miroirs font respectivement un angle de sensiblement 45 par rapport audit axe optique, et en ce que ledit miroir holographique est placé le long dudit axe optique.
- 26. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 20 à 23, caractérisé en ce que ledit miroir holographique est un miroir holographique à strates inclinées, et en ce qu'il est placé à distance d'un plan focal virtuel, image du plan focal image de ladite deuxième lentille par ledit premier miroir, de façon que ledit multiplex spatial réfléchi par ledit miroir holographique ne soit pas réinjecté dans ladite fibre optique d'entrée.
- 27. Egaliseur selon l'une quelconque des revendications 19 à 26, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième port de sortie, permettant de recevoir au moins une longueur d'onde dudit multiplex spatial réfléchie par ledit miroir holographique.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20060731 |