FR2881299A1 - Analyseur de signal optique rapide - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide modulé de faible puissance et ayant au moins une fréquence omega1 correspondant à une radiation lumineuse de longueur d'onde lambda1 supérieure à 1mum, comprenant une étape de conversion de fréquence non linéaire d'un signal optique (1) de fréquence omega1 produisant un signal optique (3) de fréquence omega2 correspondant à une radiation lumineuse de longueur d'onde lambda2 par le passage dudit signal optique (1) dans un matériau nonlinéaire (2), lambda2 étant inférieure à 1mum et une étape de conversion photon-électron du signal optique (3) de fréquence omega2 en signal électrique.Selon l'invention, la forme temporelle du signal optique (3) de fréquence omega2 est analysée avec une résolution temporelle comprise entre 300fs et 100ps et une vitesse d'échantillonnage comprise entre 10MHz et 1GHz et le signal optique de fréquence omega2 présente une modulation s'identifiant à celle du signal optique de fréquence omega1 par une relation déterministe.

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'analyse de la

forme temporelle d'un signal optique rapide de faible puissance tel qu'utilisé dans les télécommunications.

Les télécommunications longues distances sont principalement réalisées s avec des signaux optiques rapides ayant des taux de modulation atteignant 10Gb/s à plus de 4OGb/s à travers des lignes de transmission. Les signaux correspondant se propagent à une longueur d'onde supérieure à 1 pm.

Un des moyens pour tester une ligne de transmission consiste à comparer la série connue de bits envoyée à celle détectée. Cette méthode renseigne sur -o l'opérabilité de la ligne mais pas sur les causes d'un disfonctionnement.

Un autre moyen connu consiste à utiliser des appareils de mesure type oscilloscope dans un mode de fonctionnement particulier. L'écran représente la forme temporelle des impulsions de données. Ces formes s'accumulent sur l'écran, le résultat, le diagramme de l'oeil, renseigne sur les variations d'intensité et de phase des bits de données. A partir de là, on peut en déduire des taux d'erreur dans la ligne de transmission. Cette dernière technique a été utilisée suite à la relative lenteur des instruments de mesure. La forme du diagramme de l'oeil peut donner des indications sur les raisons d'une mauvaise transmission. Cette méthode a cependant des limites pour les hauts débits.

Actuellement, les techniques pompe-sonde telles celles du brevet US6785471 offrent la meilleure résolution temporelle. Un laser intégré dans l'équipement délivre des impulsions ultrabrèves, inférieures à la picoseconde, qui interagissent avec le signal sur un matériau nonlinéaire. Il en résulte un signal à la fréquence somme. Cette fréquence peut être ensuite détectée par une photodiode. Le retard entre les impulsions laser et le signal permet de reconstruire le signal. La résolution de l'appareil dépend alors de la durée des impulsions lasers. Les inconvénients de cette technique sont le coût pour le moment prohibitif puisqu'il faut intégrer des lasers impulsionnels et une ligne à retard et l'encombrement des lasers.

3o Les détecteurs ultrarapides à base de photocathode, tels que les streak camera ou le dissector, permettent d'obtenir la forme temporelle des impulsions. La résolution de ces détecteurs avoisine la picoseconde. Les équipementiers n'avaient au départ pas besoin d'une telle performance. Mais avec l'augmentation des taux de modulation au-delà de 40Gb/s, ces technologies entrent en compétition avec les techniques pompe-sonde. Les photocathodes ne sont cependant pas sensibles aux longueurs d'onde généralement utilisées pour les télécommunications, c'est-à-dire pour des longueurs d'onde au-delà de 1 pm. Il existe des photocathodes particulières à base de semi-conducteur mais elles sont chères et avec une piètre sensibilité.

Une première idée consiste donc à utiliser les effets nonlinéaires pour ramener la longueur d'onde utile dans les domaines de haute sensibilité des détecteurs usuels comme décrit dans le brevet US6785471 cité précédemment. L'avantage de cette technique est une très bonne résolution temporelle. Le coût est cependant prohibitif puisqu'il faut intégrer un laser impulsionnel dans to l'équipement.

L'objet de la présente invention est de proposer une technique d'analyse de la forme temporelle d'un signal rapide permettant d'utiliser efficacement les détecteurs à photocathode pour l'analyse de signaux rapides à des longueurs d'onde supérieures à lpm, moins encombrante, plus économique et permettant une maintenance plus aisée.

A cet effet, l'invention concerne un procédé d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide modulé de faible puissance et ayant au moins une fréquence wl correspondant à une radiation lumineuse de longueur d'onde À1 supérieure à 1 pm, comprenant: - une étape de conversion de fréquence non linéaire d'un signal optique de fréquence w, produisant un signal optique de fréquence w2 correspondant à une radiation lumineuse de longueur d'onde À2 par le passage du signal optique dans un matériau non linéaire, À2 étant inférieure à 1 pm, - une étape de conversion photon-électron du signal optique de fréquence 25 w2 en signal électrique, Selon l'invention: - la forme temporelle du signal optique de fréquence w2 est analysée avec une résolution temporelle comprise entre 300fs et 100ps à une vitesse d'échantillonnage comprise entre 10MHz et 1GHz, 3o - le signal optique de fréquence w2 présente une modulation s'identifiant à celle du signal optique de fréquence w, par une relation déterministe.

Dans différents modes de réalisation possibles, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui pourront être considérées i isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles et apportent chacune des avantages spécifiques: -la fréquence w1 est doublée en une fréquence w2, w2 étant la seconde harmonique de w1, le signal optique de fréquence w1 est amplifié, générant un signal optique amplifié d'une puissance supérieure à 10mW, -la fréquence w1 est décalée en une fréquence w2, - un signal optique de fréquence w3 interagie avec le signal de fréquence w1 sur le matériau nonlinéaire, de façon à générer un signal somme de fréquence w2=w1+w3, -le signal optique de fréquence w1 et un signal optique de fréquence w3 sont colinéarisés par un filtre dichroïque de façon à mélanger lesdites fréquences, - le procédé d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide comprend une étape de filtrage des signaux optiques issus du matériau nonlinéaire laissant passer seulement le signal optique de fréquence w2, - l'étape de conversion s'effectue pour toutes les fréquences d'un signal optique comportant plusieurs fréquences, la différence entre lesdites fréquences étant conservée, - le signal optique converti est réparti spectralement et/ou spatialement.

L'invention concerne également un dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide modulé de faible puissance et ayant au moins une fréquence w1 correspondant à une radiation lumineuse de longueur d'onde Al supérieure à 1 pm, comprenant: - un convertisseur de fréquence comportant un matériau non linéaire convertissant un signal optique de fréquence w1 en signal optique de fréquence w2 correspondant à une radiation lumineuse de longueur d'onde À2, À2 étant inférieure à 1 pm, - un analyseur ultrarapide à base de photocathode, Selon l'invention: 3o l'analyseur ultrarapide à base de photocathode détermine la forme temporelle du signal optique de fréquence w2 avec une résolution temporelle comprise entre 300fs et 100ps et une vitesse d'échantillonnage comprise entre 10MHz et 1GHz, le signal optique de fréquence w2 présentant une modulation s'identifiant à celle du signal optique de fréquence w1 par une relation déterministe.

Dans différents modes de réalisation possibles, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui pourront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles et apportent chacune des avantages spécifiques: -le convertisseur de fréquence comprend un amplificateur amplifiant le signal optique de fréquence w1 d'une puissance supérieure à 10mW, de sorte que le passage du signal amplifié de fréquence w1 dans le matériau nonlinéaire génère un signal de fréquence w2=2w1, - le convertisseur de fréquence comprend un laser délivrant un signal o optique de fréquence w3 interagissant avec le signal de fréquence w1 sur le matériau nonlinéaire de façon à générer un signal somme de fréquence w2=w1+w3, - le laser est un laser continu, - le laser est un laser discontinu, - le convertisseur de fréquence comprend un filtre dichroïque pour colinéariser les signaux de fréquences w1 et w3, - le convertisseur de fréquence comprend des composants à fibre optique, - les composants à fibre optique comprennent un coupleur, - les composants à fibre optique comprennent un combineur, le dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide comprend un filtre dichroïque ou passe-bande intercalé entre le matériau nonlinéaire et l'analyseur ultrarapide de façon à ne laisser passer que le signal optique de fréquence w2, - un démultiplexeur de longueurs d'onde est placé devant l'analyseur 25 ultrarapide à base de photocathode pour séparer spatialement et spectralement les différentes longueurs d'onde des signaux collinéaires, - un arrangement catadioptrique à base de réseaux de diffraction est placé devant l'analyseur ultrarapide à base de photocathode pour séparer spatialement et spectralement les différentes longueurs d'onde des signaux collinéaires, 3o - le signal optique du laser de fréquence w3 interagit avec le signal optique de fréquence w1 sur le matériau nonlinéaire en un même point de façon à obtenir en sortie du matériau nonlinéaire plusieurs signaux optiques de fréquences différentes séparés spatialement dont le signal de fréquence w2=w1+w3, les deux faisceaux lumineux de fréquence w1 et w3 faisant un angle e, - le laser et/ou le matériau non linéaire sont accordables en longueur d'onde de façon à sélectionner et/ou convertir dans une gamme spectrale étroite une des longueurs d'onde du signal à analyser, ledit signal à analyser ayant une gamme spectrale large, discrète ou continue, s - le convertisseur de fréquence comporte un filtre accordable devant l'analyseur de façon à sélectionner dans une gamme spectrale étroite une des longueurs d'onde du signal converti, le signal converti ayant une gamme spectrale large, discrète ou continue, - le 'matériau nonlinéaire est intégré dans une structure comportant au o moins une structure guidante adaptée à différentes longueurs d'oncle, - la structure guidante comporte plusieurs voies, chacune adaptée à une longueur d'onde particulière, - le matériau nonlinéaire est précédé d'un démultiplexeur, - l'analyseur ultrarapide à base de photocathode est un analyseur is d'impulsions brèves, l'analyseur ultrarapide à base de photocathode est une caméra à balayage de fente, - le dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide comprend une photodiode ou un détecteur générant un signal de synchronisation, - le signal à analyser est directement issu d'une diode laser ou autres sources de lumière modulée, - le signal à analyser est issu d'une boucle de recirculation.

Selon l'invention, une des applications du dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide se trouve dans l'analyse de signaux de 25 télécommunication multiplexés en longueur d'onde.

L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente le dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal rapide selon un premier mode de réalisation de l'invention; 3o - la figure 2 représente le dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal rapide selon un premier mode de réalisation de l'invention et comprenant un dispositif d'analyse d'un train d'impulsions brèves périodiques FEMSCAN ; - la figure 3 représente le dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal rapide selon un second mode de réalisation de l'invention; - la figure 4 représente le dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal rapide selon un troisième mode de réalisation de l'invention; Selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 1, l'analyseur de la forme temporelle d'un signal optique rapide comprend un convertisseur de fréquence 11 couplé avec un analyseur d'impulsions brèves 5 ultrarapide à base de photocathode.

Ce convertisseur de fréquence 11 comporte un amplificateur 6 standard qui amplifie le signal optique 1 de fréquence w, à analyser en un signal optique amplifié 7 d'une puissance supérieure à 10mW. La conversion de fréquence utilise ro des phénomènes nonlinéaires qui requièrent de la puissance. Hors, les signaux de télécommunication à fibre ne possèdent pas cette puissance en bout de ligne.

Le signal optique 1 de fréquence w, a ainsi après amplification dans l'amplificateur 6 une puissance suffisante pour engendrer des phénomènes nonlinéaires dans un matériau nonlinéaire 2. Les matériaux nonlinéaires 2 1s généralement utilisés aujourd'hui sont les PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate) qui ont la propriété d'avoir des forts rendements de conversion (50%). On peut également citer les PPKTP (Periodically Poled KTP) à base de cristaux de KTiOPO4, ou PPMgLN (Periodically Poled Magnesium Lithium Niobate).

Dans le cas d'un signal ne comportant qu'un seul canal de transmission, une seule bande spectrale étroite, centrée sur la radiation de longueur d'onde A1, interagit avec le matériau nonlinéaire 2. L'effet nonlinéaire majoritaire est la génération de seconde harmonique. Le signal optique 1 de fréquence w, est donc doublé en un signal optique 3 de fréquence w2. Les signaux issus des télécommunications ont des longueurs d'onde dans l'infrarouge de 1,3-1,5pm. Ils sont ainsi convertis en signaux ayant des longueurs d'onde de 650-750nm dans le visible.

II est aussi possible d'analyser un signal ayant une bande spectrale large comportant plusieurs canaux et donc plusieurs longueurs d'onde, ce qui sera décrit plus loin.

3o Comrne l'efficacité de conversion n'est pas de 100%, il coexiste deux signaux à la sortie du matériau nonlinéaire 2 à des fréquences différentes (w, et w2=2w,). Ces signaux ont des formes temporelles pouvant s'identifier par une relation déterministe. L'information sur la forme temporelle est donc conservée.

Seul le signal optique 3 à la fréquence w2 est utile. Pour que le signal optique 1 de fréquence w, ne vienne pas perturber la mesure, il est filtré par un filtre 10 dichroïque ou passe-bande. L'interaction de la lumière dans un milieu nonlinéaire engendre également de la fluorescence paramétrique. Cette fluorescence émise dans un angle solide peut être une source de bruit notamment si des lentilles sont placées derrières le matériau nonlinéaire 2 pour collimater le faisceau. Le filtre 10 sert donc également à filtrer la fluorescence.

Le convertisseur de fréquence 11 permet ainsi de convertir une fréquence dans une bande de longueur d'onde dans le visible, inférieure à 1 pm, acceptable pour une photocathode. Comme on l'a évoqué précédemment, la caractéristique commune des détecteurs ultrarapides 5 est une face avant constituée par une io photocathode. Les photocathodes standard ont des bonnes efficacités de détection dans le visible. Le signal optique rapide 1 à analyser de fréquence w, tel qu'utilisé dans les télécommunications est à une longueur d'onde À1, supérieure à 1 pm, dans le domaine de l'infrarouge qui n'est pas détectable efficacement par ces dispositifs d'analyse 5 à base de photocathodes.

1s La forme temporelle du signal optique 3 de fréquence w2 est ensuite déterminée par un analyseur d'impulsions brèves 5.

Le plus connu est le détecteur d'impulsions brèves FEMSCAN 22 tel que représenté sur la Figure 2 et décrit dans les articles de E. ZININ (Nuclear Instrumentation Method 208 (1983) p: 439-441 et IEEE Transactions on Nuclear Sciences, vol. NS 30 (août 1983)) permettant une analyse très rapide et très fine d'un signal optique répétitif de fréquence F. Le FEMSCAN 22 comprend deux parties, une section "imageur" 14 et une section "multiplicateur" 15 séparées par une fente étroite 16. La première section 14 comporte une photocathode 17 transformant un photon incident en électron, des électrodes de focalisation 18 et des plaques de déflection électrostatiques 19 situées entre la photocathode 17 et la fente 16. La section "multiplicateur" 15 comprend des moyens d'amplification électronique 20 à très fort gain (> 106) et à très faible bruit de type dynode, par exemple. Elle comprend également une anode 21.

Le principe général du FEMSCAN 22 qui est celui de l'oscilloscope électronique transposé au domaine optique, repose sur l'échantillonnage temporel à la fréquence F+dF du signal générant un effet de battement et permettant ainsi d'isoler un échantillon du signal par période d'analyse, encore appelé trame d'analyse. L'ensemble de la forme temporelle du signal périodique est reconstitué de manière stroboscopique. Le cas le plus favorable étant celui où dF est un sous multiple de F. Cet échantillonneur optique fonctionne à environ 80MHz. Un tell échantillonneur permet à la fois de disposer: - d'un système extrêmement simple en matière de traitement de signal: s chaque échantillon est traité à la fréquence d'analyse (très inférieure à la bande passante intrinsèque du dispositif), - d'un système extrêmement performant (excellente résolution temporelle puisque l'on utilise le système uniquement sur l'axe optique: résolution subpicoseconde (entre 300 Femtosecondes et 100 Picosecondes), o - d'un système extrêmement sensible car derrière l'échantillon unique (filtré par le filtre spatial) on profite d'une amplification électronique à très fort gain (>106) et à très faible bruit (de type dynode par exemple).

Dans le cas d'un signal optique à 40Gb/s, les signaux temporels analysés ont une période de 25ps.

Pour un FEMSCAN 22 de 1ps de résolution, la plage linéaire d'analyse est de 2,5ns. Un échantillon peut être pris tous les 5ns par le FEMSCAN 22 (le passage par zéro du sinus se fait toutes les 5ns). Il y a donc un échantillon prélevé sur 1 bit tous les 50 bits. Pour que ceci soit réalisable, il faut que la fréquence de pilotage du FEMSCAN 22 soit un sous-multiple de 4OGb/s avec une précision sur la phase meilleure que 1ps. Si le FEMSCAN 22 est piloté par une tension RF en dent de scie de 100MHz/l kV et que le déphasage est réalisé par une rampe de 5OHz/l kV, le FEMSCAN 22 accumule 800 échantillons en 4ps pour reconstituer 1 ps de l'enveloppe temporelle. Il faut donc 100ps pour reconstruire 1 temps bit. Selon le rapport signal à bruit, ce temps peut être choisi plus ou moins long. Le FEMSCAN 22 représente les 200 bits en 10ms.

L'invention est réalisable avec tout autre type d'échantillonneur optique fonctionnant de 10MHz à 1GHz.

L'avantage de ce premier mode de réalisation est sa simplicité, sa facilité d'intégration et son faible coût.

La figure 3 représente un analyseur de la forme temporelle d'un signal optique rapide comprenant un convertisseur de fréquence 11 et un analyseur d'impulsions brèves 5 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.

Un laser 8 délivre un signal optique 9 de fréquence w3. Ce signal a suffisamment de puissance pour engendrer des phénomènes nonlinéaires dans le matériau nonlinéaire 2. Le laser 8 est continu, mais pour des raisons d'efficacité il peut être impulsionnel. Les propriétés temporelles des impulsions doivent seulement satisfaire la condition suivante: être présent lorsque le signal optique 1 de fréquence w, est présent.

En absence d'amplificateur, le signal typique en sortie d'un système télécom est de l'ordre de -10dBm soit 0.1 mW crète. Cette puissance s'avère trop faible pour atteindre un rendement de doublage raisonnable (> 0.1%). Il convient alors de mélanger ce signal avec un signal de plus forte puissance. Si on prend soin d'utiliser une source laser 8 secondaire à une longueur d'onde %3 différente du signal à mesurer on peut très facilement filtrer spectralement les photons o correspondant au doublage de fréquence et ceux de la somme entre le signal et la source secondaire. De plus le caractère résonant du mélange de l'accord de phase dans les cristaux non-linéaires accentue cet effet de filtrage.

Le filtre dichroïque 4 permet de colinéariser les deux faisceaux des signaux 1 et 9 qui interagissent dans le matériau nonlinéaire 2. Ce matériau est ts préférentiellement conçu pour donner des efficacités de conversion maximales pour le mélange de fréquences. Il en résulte la génération de fréquences somme, différence et double.

On entend par faisceaux colinéaires, des faisceaux ayant leurs vecteurs d'onde parallèles.

Les signaux optiques sont tout ou partie acheminés par fibre optique dans le convertisseur 11. Ceci autorise l'emploi de composants à fibre optique comme des coupleurs ou combineurs en remplacement du filtre dichroïque 4. Dans ce cas, on ne peut plus parler de colinéarisation.

Lorsque deux signaux optiques 1 et 9 de fréquences différentes w, et w3 interagissent sur un matériau nonlinéaire 2, il y a génération de signaux optiques de fréquences à 2w,, 2w3, w,+w3, w,-w3 avec en plus des signaux de départ. Le signal 3 de fréquence w2=w,+w3 n'est présent que lorsque les deux faisceaux sont présents, le matériau nonlinéaire 2 réalise la fonction logique ET et la conversion de fréquence. L'intensité du signal optique 3 à la fréquence w2=w,+w3 dépend du 3o produit des amplitudes initiales à w, et w3.

Un filtre 10 dichroïque ou passe-bande permet ensuite de rie sélectionner que le signal optique à la fréquence qui nous intéresse, c'est-à-dire w,+ w3. Ce signal optique 3 de fréquence w2=w,+w3 est ensuite détecté et échantillonné par l'analyseur d'impulsions brèves 5 de type FEMSCAN (monovoie). La puissance et la fréquence du signal optique 3 de fréquence w2=w,+w3 sont contrôlées par la io puissance et la fréquence du laser 8. La forme temporelle du signal optique 3 de fréquence w2=w1+w3 est identique à celle du signal optique à w1 d'après la condition imposée sur le laser 8.

Un troisième mode de réalisation utilise les propriétés géométriques de la 5 conversion de fréquence.

La figure 4 illustre ce troisième mode de réalisation. Les faisceaux des signaux 1 et 9 aux longueurs d'onde À1 et À2 ayant des vecteurs d'onde noncolinéaires formant un angle A interagissent sur le matériau nonlinéaire 2 en un même point 13. Les propriétés de l'optique nonlinéaire sont telles que la io radiation du signal optique 3 à la fréquence somme w2=w1+w3 a un vecteur d'onde qui est la somme des vecteurs d'onde des signaux lui ayant donnés naissance. Il en résulte que des signaux 12 de fréquences différentes w1, 2w1, w3, 2w3 sont générés après passage des signaux optiques 1 et 9 dans le matériau nonlinéaire 2 et sont séparés spatialement. Cela permet de faire l'économie du 1s filtre 10 dichroïque ou passe-bande des premier et deuxième modes de réalisation. La complexité est toutefois reportée sur l'orientation des axes du cristal nonlinéaire 2. Une étude quantitative sur les efficacités de conversion est alors nécessaire pour le choix entre les deux configurations.

Le signal optique 3 de fréquence w2=w1+w3 peut être ensuite analysé par 20 un analyseur 22 type FEMSCAN (monovoie) permettant d'analyser le signal optique 3 de fréquence w2,.

Le signal optique 3 de fréquence w2=w1+w3 peut être aussi analysé par une caméra à balayage de fente. La caméra à balayage de fente lorsqu'équipée de photocathode standard type S20, S25 peut être utilisée à la place d'un analyseur du type FE.MSCAN . Les fréquences d'échantillonnages sont identiques.

Les caméras à balayage de fente possèdent en plus une résolution spatiale les rendant aptes à analyser des signaux optiques 12, séparés spatialement sur la photocathode, sur plusieurs voies.

Cette propriété peut être mise à profit pour l'analyse des signaux multiplexés en longueur d'onde appelés signaux WDM (Wavelength Division Multiplexing). La technologie WDM permet d'injecter simultanément dans la même fibre optique pour les télécommunications plusieurs trains de signaux numériques à la même vitesse de modulation, mais chacun à une longueur d'onde distincte.

Le signal WDM se trouve par exemple, dans une bande spectrale large discrète ou continue d'environ 35nm.

Actuellement, une norme définie un peigne de longueurs d'onde autorisées dans la seule fenêtre de transmission 1530-1565 nm. Elle normalise l'espacement en nanomètre (nm) ou en Gigahertz (GHz) entre deux longueurs d'onde permises de la fenêtre: 200 GHz ou 1,6 nm et 100 GHz ou 0,8 nm.

La technologie WDM est dite dense (DWDM) lorsque l'espacement utilisé est égal ou inférieur à 100 GHz. Des systèmes à 50 GHz (0,4 nm) et à 25 GHz (0,2 nm) ont déjà été testés et permettront d'obtenir des centaines de longueurs d'onde, on parlera alors de U-DWDM: Ultra - Dense Wavelength Division Multiplexing.

o Les systèmes WDM / DWDM commercialisés aujourd' hui comportent 4, 8, 16, 32, 80, voire 160 canaux optiques, ce qui permet d'atteindre des capacités de 10, 20, 40, 80, 200 voire 400 Gb/s en prenant un débit nominal de 2,5 Gb/s et de quatre fois plus avec un débit nominal de 10 Gb/s. Ainsi, on obtient 3200 Gb/s (3,2 Tb/s) avec 80 canaux optiques à 40 Gb/s.

Comme les lignes de transmission transmettent plusieurs signaux de longueurs d'ondes différentes, cet axe spatial peut être utilisé pour les détecter. Dans ce cas, la conversion de fréquence s'effectue pour toutes les longueurs d'onde et la différence entre leur fréquence correspondante est conservée après conversion.

Un FEMSCAN multivoie permet aussi d'analyser les signaux sur plusieurs canaux.

Selon les premier et deuxième mode de réalisation de l'invention représentés sur les figures 1 à 3, on peut placer un démultiplexeur ou un élément dispersif (non représentés) devant la caméra à balayage de fente afin de séparer spatialement et spectralement les signaux de longueurs d'onde différentes. On analyse ainsi la forme temporelle des signaux WDM de longueurs d'onde différentes à au moins 10Gb/s. Le démultiplexeur et l'élément dispersif peuvent également être placés devant un guide d'onde multivoies. L'ensemble peut même être entièrement intégré.

3o La structure périodique du matériau nonlinéaire 2 doit permettre de compenser la différence de vitesse de groupe et d'augmenter l'efficacité de conversion entre les fréquences.

Pour augmenter les efficacités de conversion, il faut augmenter la puissance des faisceaux par unité de surface et la longueur d'interaction. Dans les matériaux massifs, il y a un compromis entre la puissance par unité de surface et la divergence des faisceaux qui réduit la longueur d'interaction.

Les solutions guidées correspondent mieux à notre besoin. Le matériau nonlinéaire 2 est intégré dans une structure (non représentée) comportant au moins une structure guidante adaptée à différentes longueurs d'onde. La structure guidante comporte plusieurs voies chacune adaptée à une longueur d'onde particulière. La lumière est confinée ce qui confère une densité de puissance optimale. Dans notre cas, il n'y a pas de problème de couplage puisque les signaux à analyser 1 sont guidés par une fibre optique qu'il suffit de coupler à ce io guide. Dans certains cas, le matériau nonlinéaire peut être précédé d'un démultiplexeur.

On peut également utiliser la source laser 8 pour effectuer des opérations de filtrage ou de traitement du signal tel que la re- synchronisation avec une horloge ou un filtrage spectral. On peut ainsi séparer les différents canaux is provenant d'un système WDM pour en analyser séparément les différents aspects temporels. La longueur d'onde de la source laser 8 est accordée de façon exactement inverse à celui du signal 1 afin de garder une longueur d'onde somme constante.

Selon les deuxième et troisième modes de réalisation de l'invention (figures 3 et 4), dans le cas d'un signal WDM, on peut ainsi envisager d'utiliser un laser 8 accordable qui permet de sélectionner la longueur d'onde du signal WDM à analyser. Le choix de la longueur d'onde À3 dulaser 8 détermine la longueur d'onde À1 (bande spectrale étroite) du signal WDM à analyser (bande spectrale large).

Quelque soit le mode de réalisation de l'invention, il est aussi possible d'envisager d'utiliser un matériau non linéaire 2 accordable (par exemple en température ou angle d'attaque). Le matériau non linéaire 2 peut être adapté pour ne convertir qu'une longueur d'onde À1 dans une bande spectrale étroite.

On peut également utiliser un matériau non linéaire 2 accordable avec un 3o laser 8 accordable.

Si les fréquences WDM sont toutes converties à partir d'un matériau non linéaire 2, on peut envisager l'utilisation d'un filtre sélectif accordable devant l'analyseur 5.

Cet ensemble de dispositifs accordables en longueur d'onde permet finalement d'obtenir en sortie du convertisseur 11 de fréquence un signal 3 ne comportant qu'une seule longueur d'onde À2.

II permet l'analyse de la forme temporelle de signaux de télécommunication multiplexés en longueur d'onde par un analyseur 5 du type FEMSCAN monovoie.

Les exemples 1 à 3 montrent les avantages que procure l'invention dans des applications pratiques et par rapport aux techniques actuelles.

Exemple 1:

o Dans la pratique les signaux à 40Gb/s sont utilisés dans les télécommunications et se propagent à une longueur d'onde de 1,5pm. Les lasers 8 ayant une radiation de 980nm sont largement utilisés dans cette industrie et de nombreux composants connexes sont disponibles. De plus ces lasers 8 sont employés pour le pompage des amplificateurs optiques, ils sont donc de plus en plus puissants: 500mW en continue. Le mélange de fréquence de ces deux radiations donne une radiation à une longueur d'onde de 600nm. D'un point de vu fonctionnel, l'interaction du signal optique 1 à 1,5pm avec le signal laser 9 à 980nm dans le milieu nonlinéaire 2 peut être vu comme un décalage de fréquence et une amplification du signal 1 initialement à 1,5pm. Comme le signal laser 9 à 980nm est continu, le signal 13 à la longueur d'onde de 600nm présente la même modulation que le signal optique 1 à 1,5pm.

Exemple 2:

Peil et al. de l'US Naval Observatory ont réalisé une expérience de doublage de fréquence d'un laser DFB à 1560nm. Leur objectif est de réaliser une source à 780nm. Leur problématique est cependant identique à savoir obtenir le maximum de rendement de conversion entre le 1560nm et le 780nm. En utilisant un guide d'onde PPLN de 5cm avec 80% / (W.cm2) d'efficacité norrnalisée, ils ont obtenu des rendements de conversion de 70% pour des puissances injectées de 150mW. On peut déduire de leur expérience que 60% de la puissance d'entrée à 1560nm a été convertie en radiation à 780nm. Comme il faut deux photons à 1560nm pour produire un photon à 780nm, cela fait un rendement photonique de 30%.

Appliquons ces résultats au mode de réalisation de l'invention tel qu'illustré sur la figure 1. Les amplificateurs EDFA standard délivre 22dBm de puissance, soit un peu plus que 150mW. Avec cette puissance, et en utilisant le même PPLN commercialement disponible, on arrive à des rendements de conversion 60%.

Les photocathodes standard équipant le FEMSCAN 22 ont des efficacités quantiques de 5% à 780nm. Ce qui donne 1,5% d'efficacité quantique entre les photons issus de l'amplificateur 6 et les photoélectrons émis par la photocathode 5. Dans ces conditions, avec l'hypothèse de signaux modulés à 40Gb/s, il y a 4.106 photons incidents par temps bits. Soit pour un signal RZ avec un rapport de cycle de 50%, 3, 3.105 photons par ps. Ce qui confère un excellent rapport signal sur bruit, SNR=577. On considère que le bruit généré par la génération de fréquence est négligeable.

Exemple 3:

Comparons l'analyseur de forme temporelle d'un signal optique rapide utilisant un FEMSCAN 22 selon l'invention (Figure 2) à un équipement utilisant une photocathode S1: La photocathode S1 est rarement utilisée à 1,5pm. Les produits commercialement disponibles se hasardent à l'utiliser jusqu'à 1,3pm. Les efficacités quantiques sont de l'ordre de 10-4. Avec le même budget optique, c'est-à-dire 150mW à 1560nm, l'efficacité quantique globale est toujours de 10-4. Il y a donc 100 photons par ps soit un SNR de 10.

Outre la piètre efficacité quantique, la photocathode S1 coûte cher à réaliser et vieillie mal dans le temps. En ajoutant seulement un matériau nonlinéaire 2, le FEMSCAN 22 permet d'augmenter de plus d'un ordre de grandeur le rapport signal sur bruit et de deux ordres de grandeur l'efficacité quantique globale.

L'invention a été décrite dans le cadre de l'analyse de signaux optiques 1 en fin de ligne. On peut étendre l'utilisation de l'invention pour la caractérisation des diodes lasers et modulateurs ou tout autre équipement délivrant des longueurs d'onde supérieures à 1 pm.

Dans ce cas, il est possible de se passer de l'amplificateur 6 ou du laser 8 3o et de convertir directement le signal à une fréquence double en utillisant un PPLN en amont d'un FEMSCAN .

De manière générale, selon l'invention, le signal optique répétitif peut être issu d'une boucle à recirculation qui consiste à piéger une séquence de bits dans une boucle de fibre optique qui entretient la propagation de cette séquence (puissance, forme temporelle). A chaque tour dans la boucle, une partie de la séquence est prélevée et détectée.

Claims (33)

REVENDICATIONS

1. Procédé d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide modulé de faible puissance et ayant au moins une fréquence cul correspondant à une radiation lumineuse de longueur d'onde À1 supérieure à 1 pm, comprenant: - une étape de conversion de fréquence non linéaire d'un signal optique (1) de fréquence w, produisant un signal optique (3) de fréquence w2 correspondant à une radiation lumineuse de longueur d'onde À2 par le passage dudit signal optique (1) dans un matériau nonlinéaire (2), 1\2 étant to inférieure à 1 pm, - une étape de conversion photon-électron du signal optique (3) de fréquence w2 en signal électrique, caractérisé en ce que: - la forme temporelle du signal optique (3) de fréquence w2 est 15 analysée avec une résolution temporelle comprise entre 300fs et 100ps à une vitesse d'échantillonnage comprise entre 10MHz et 1GHz, - le signal optique (3) de fréquence w2 présente une modulation s'identifiant à celle du signal optique (1) de fréquence w, par une relation déterministe.

2. Procédé d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence w, est doublée en une fréquence w2, w2 étant la seconde harmonique de w,.

3. Procédé d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal optique (1) de fréquence 25 w, est amplifié, générant un signal optique amplifié (7) d'une puissance supérieure à 10mW.

4. Procédé d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence w, est décalée en une fréquence w2.

5. Procédé d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un signal optique (9) de fréquence w3 interagit avec le signal (1) de fréquence w, sur le matériau nonlinéaire (2), de façon à générer un signal somme (3) de fréquence w2=w, +w3.

6. Procédé d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide 35 selon la revendication 5, caractérisé en ce que le signal optique (1) de fréquence w, et le signal optique (9) de fréquence w3 sont colinéarisés par un filtre dichroïque (4) de façon à mélanger lesdites fréquences.

7. Procédé d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de filtrage des signaux optiques issus du matériau nonlinéaire (2) laissant passer seulement le signal optique (3) de fréquence w2.

8. Procédé d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'étape de conversion s'effectue pour toutes les fréquences d'un signal optique (1) to comportant plusieurs fréquences, la différence entre lesdites fréquences étant conservée.

9. Procédé d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le signal optique (3) converti est réparti spectralement et/ou spatialement.

10. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide modulé de faible puissance et ayant au moins une fréquence wl correspondant à une radiation lumineuse de longueur d'onde À1 supérieure à 1 pm, comprenant: - un convertisseur de fréquence (11) comportant un matériau nonlinéaire (2) convertissant un signal optique (1) de fréquence wi en signal optique (3) de fréquence w2 correspondant à une radiation lumineuse de longueur d'onde 1\2, A2 étant inférieure à 1 pm, - un analyseur (5) à base de photocathode, caractérisé en ce que: -l'analyseur (5) est un analyseur ultrarapide à base de photocathode déterminant la forme temporelle du signal optique (3) de fréquence w2 avec une résolution temporelle comprise entre 300fs et 100ps et une vitesse d'échantillonnage comprise entre 10MHz et 1GHz, ledit signal optique (3) de fréquence w2 présentant une modulation s'identifiant à celle du signal optique (1) de fréquence wl par une relation déterministe.

11. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon la revendication 10, caractérisé en ce que le convertisseur de fréquence (11) comprend un amplificateur (6) amplifiant le signal optique (1) de fréquence w, d'une puissance supérieure à 10mW, de sorte que le passage du signal amplifié (7) de fréquence w, dans le matériau nonlinéaire (2) génère un signal (3) de fréquence w2=2w,.

12. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon la revendication 10, caractérisé en ce que le convertisseur de fréquence (11) comprend un laser (8) délivrant un signal optique (9) de fréquence w3 interagissant avec le signal (1) de fréquence w, sur le matériau nonlinéaire (2), de façon à générer un signal somme (3) de fréquence w2=w,+w3.

13. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon la revendication 12, caractérisé en ce que le laser (8) est un laser continu.

i0

14. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon la revendication 12, caractérisé en ce que le laser (8) est un laser discontinu.

15. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le convertisseur de fréquence (11) comprend un filtre dichroïque (4) pour colinéariser les signaux (1,3) de fréquences w, et w3.

16. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le convertisseur de fréquence (11) comprend des composants à fibre optique.

17. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon la revendication 16, caractérisé en ce que les composants à fibre optique comprennent un coupleur.

18. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon la revendication 16, caractérisé en ce que les composants à fibre optique 25 comprennent un combineur.

19. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 10 à 18, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre (4) dichroïque ou passe-bande intercalé entre le matériau nonlinéaire (2) et l'analyseur ultrarapide (5) de façon à ne laisser passer que le 3o signal optique (3) de fréquence w2.

20. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 10 à 19, caractérisé en ce qu'un démultiplexeur de longueurs d'onde est placé devant l'analyseur ultrarapide (5) à base de photocathode pour séparer spatialement et spectralement les différentes longueurs d'onde des signaux collinéaires.

21. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 10 à 19, caractérisé en ce qu'un arrangement catadioptrique à base de réseaux de diffraction est placé devant l'analyseur ultrarapide (5) à base de photocathode pour séparer spatialement et spectralement les différentes longueurs d'onde des signaux collinéaires.

22. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le signal optique (9) du laser (8) de fréquence W3 interagit avec le signal optique (1) de fréquence wi sur le matériau nonlinéaire (2) en un même point (13) de façon à io obtenir en sortie du matériau nonlinéaire (2) plusieurs signaux optiques (12) de fréquences différentes séparés spatialement dont le signal (3) de fréquence w2=w1+w3, les deux faisceaux lumineux de fréquence w, et w3 faisant un angle O.

23. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 12 à 22, caractérisé en ce que le laser (8) et/ou le matériau non linéaire (2) sont accordables en longueur d'onde de façon à sélectionner et/ou convertir dans une gamme spectrale étroite une des longueurs d'onde du signal à analyser (1), ledit signal à analyser (1) ayant une gamme spectrale large, discrète ou continue.

24. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 12 à 22, caractérisé en ce que le convertisseur de fréquence comporte un filtre accordable devant l'analyseur (5) de façon à sélectionner dans une gamme spectrale étroite une des longueurs d'onde du signal converti (3), ledit signal converti (3) ayant une gamme spectrale large, discrète ou continue.

25. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 10 à 24, caractérisé en ce que le matériau nonlinéaire (2) est intégré dans une structure comportant au moins une structure guidante adaptée à différentes longueurs d'onde.

26. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon la revendication 25, caractérisé en ce que la structure guidante comporte plusieurs voies, chacune adaptée à une longueur d'onde particulière.

27. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon la revendication 25 ou 26, caractérisé en ce que le matériau nonlinéaire (2) est précédé d'un démultiplexeur.

28. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 10 à 27, caractérisé en ce que l'analyseur ultrarapide (5) à base de photocathode est un analyseur d'impulsions brèves.

29. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 10 à 27, caractérisé en ce que l'analyseur ultrarapide (5) à base de photocathode est une caméra à balayage de fente.

30. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide o selon l'une quelconque des revendications 10 à 29, caractérisé en ce qu'il comprend une photodiode ou un détecteur générant un signal de synchronisation.

31. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 10 à 30, caractérisé en ce que le signal (1) à analyser est directement issu d'une diode laser ou autres sources de lumière modulée.

32. Dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal optique rapide selon l'une quelconque des revendications 10 à 31, caractérisé en ce que le signal (1) à analyser est issu d'une boucle de recirculation.

33. Application du dispositif d'analyse de la forme temporelle d'un signal 20 optique rapide à l'analyse de signaux de télécommunication multiplexés en longueur d'onde selon l'une quelconque des revendications 10 à 32.