FR2950439A1 - Resonnateur optique a boucle fibree - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un résonateur optique composé d'une fibre optique d'entrée (205), d'une boucle fibrée (204), d'une fibre optique de sortie (206), une fraction de la puissance d'un signal optique d'entrée (200) parcourant la fibre optique d'entrée (205) étant injectée dans la boucle fibrée (204) en utilisant un coupleur optique d'entrée (201), une fraction du signal parcourant la boucle (203) étant transmis sur la fibre de sortie (206) en utilisant un coupleur optique de sortie (202). La boucle fibrée est composée d'au moins une fibre à maintien de polarisation.

Description

Résonateur optique à boucle fibrée La présente invention concerne un résonateur optique à boucle fibrée. L'invention concerne notamment le domaine de l'optoélectronique et des dispositifs nécessitant la génération de fréquence à haute pureté spectrale. L'invention concerne plus particulièrement le domaine des oscillateurs micro-ondes à haute pureté spectrale pour le domaine temps-fréquence ou les radars. L'invention est aussi applicable à des domaines tels que le filtrage micro-onde à bande étroite, le filtrage optique à bande étroite, la stabilisation de lasers, les capteurs résonants et oscillants optiques ou optiques-micro-ondes.

Les résonateurs à haute précision représentent un besoin constant pour la réalisation ou la stabilisation de sources de fréquence, que ce soit dans le domaine optique ou dans le domaine micro-onde/radiofréquence. La précision de ces résonateurs est habituellement caractérisé par un facteur appelé facteur de qualité Q. Les résonateurs existant peuvent être classés en deux familles. La première famille est celle des résonateurs hyperfréquences et la seconde famille est celle des résonateurs optiques ou optoélectroniques. Pour ce qui concerne les résonateurs hyperfréquences, ceux-ci mettent en oeuvre des approches tout hyperfréquence basées sur des oscillateurs à résonateurs diélectriques ou sur la multiplication en fréquence de sources à quartz. Des limitations sont inhérentes à ces technologies. En effet, le coefficient de qualité Q des résonateurs diélectriques est limité à environ 104 à vide à 10 GHz et décroit proportionnellement avec la fréquence d'utilisation, ceci étant la conséquence d'une dégradation en fréquence de la tangente de pertes diélectrique. Pour ce qui est de la multiplication en fréquence de sources à quartz, le bruit de multiplication de fréquence devient rapidement prohibitif en gamme hyperfréquence et à quelques kiloHertz de la porteuse. Il existe également des oscillateurs à résonateur diélectrique particulier utilisant un cristal de saphir sur des modes WGM, acronyme venant de l'expression anglo-saxonne « Whispering Gallery Mode ». Ces résonateurs ont un bon coefficient de qualité mais présentent l'inconvénient d'un volume important et d'une relative faible stabilité en température.

Pour ce qui concerne les résonateurs optiques et optoélectroniques, ceux-ci permettent d'obtenir des valeurs de facteur de qualité significativement supérieures à celles obtenues avec des résonateurs hyperfréquences. Les oscillateurs hyperfréquences stabilisés en fréquence sur un composant optique utilisent habituellement une ligne à retard optique pour transporter la modulation hyperfréquence. Une ligne à retard optique a en effet pour propriété d'avoir un faible facteur d'affaiblissement des signaux qu'elle transporte. Ainsi les pertes d'une ligne à retard optique sont de l'ordre de 0.2 dB/km. Ladite ligne à retard devant être de longueur importante, typiquement plusieurs kilomètres, celle-ci bénéficie de cet avantage. La longueur de fibre se traduit par un volume important du composant de stabilisation en fréquence, cette contrainte pouvant être rédibitoire pour une utilisation de ce type d'oscillateur sur des systèmes embarqués, par exemple. De plus, si la valeur importante du retard se traduit par une très bonne stabilisation en fréquence (un coefficient de qualité équivalent élevé), elle conduit également à de nombreuses fréquences où l'oscillation devient possible et donc à de nombreux pics parasites sur le spectre de sortie de l'oscillateur à quelques dizaines de kiloHertz de la fréquence porteuse. Une approche alternative à la ligne à retard consiste à remplacer ce composant par un élément résonant optique, comme proposé dans la publication de L. Maleki, S. Yao, Y. Ji et V. Ilchenko intitulée New shemes for improved opto-electronic Oscillator, MWP 1999, Topical Meeting on Microwaves Photonics, 17-19 novembre 1999, pages 177-180, vol. 1. Parmis ces résonateurs, les plus couramment étudiés sont des disques de cristaux à faibles pertes polis ou des sphères de silice obtenues par fusion Ces résonateurs présentent cependant des limitations dues notamment à des problèmes de couplage et à la stabilisation des modes des ondes optiques. Pour obtenir un facteur de qualité optique Q important, il est également nécessaire que leur surface soit de qualité optique, donc avec une rugosité inférieure à la dizaine de nanomètres. Leur fabrication, ainsi que leur stockage, est par conséquent délicat. D'autre part, il est difficile de coupler ces résonateurs à un accès fibré ou guidé externe. La distance de couplage est de l'ordre du micronmètre ou inférieure et est très faible en comparaison des dimensions du résonateur, lesdites dimensions étant de l'ordre du millimètre. Aucune solution applicable industriellement permettant l'assemblage d'un résonateur de ce type et de ses éléments de couplage n'existe aujourd'hui. Un type de résonateur dont le fonctionnement se base sur une boucle de fibre a été présenté dans l'article de P.H. Merrer, O. Llopis et G. Cibiel intitulé Laser Stabilization on a Fiber Ring Resonator and application to RF Filtering, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 20, n° 16, 15 août 2008. La boucle de fibre, appelée boucle fibrée dans la suite de la description, reste de dimensions importantes par rapport aux dimensions des résonateurs de type sphère ou disque WGM, mais l'utilisation de coupleurs optiques fibrés permet de résoudre le problème du couplage avec le résonateur. D'autre part, la longueur de la boucle fibrée en mode résonant est beaucoup plus faible que la longueur équivalente nécessaire à l'obtention du même facteur de qualité pour une ligne à retard. II y a un rapport 50 environ en longueur de fibre entre un résonateur fibré et une ligne à retard. Il est donc possible d'obtenir des valeurs de facteur de qualité Q de l'ordre de 109 avec ces dispositifs d'une longueur de fibre de 10 mètres. Par conséquent, pour un volume relativement faible, la géométrie d'un tel résonateur est essentiellement planaire. A titre d'exemple, il est possible d'enrouler en bobine les 10 mètres de la boucle fibrée faisant office de résonateur sur une plaque de 10 cm par 10 cm ou de 15 cm par 15 cm, et de construire le reste du système au dessus de ce support. Les fibres utilisées dans la boucle fibrée sont des fibres monomodes transverses. Le résonateur ne présente ainsi qu'un peigne de modes uniques, ce qui évite l'ajout d'une possible contribution sur le bruit de phase des interactions entre ce peigne et les peignes satellites liés à la présence de modes transverses d'ordres supérieurs. Un inconvénient de cette approche est lié aux rotations de polarisation de l'onde optique dans le résonateur et dans les coupleurs. Ces rotations sont dues aux diverses contraintes appliquées sur la fibre. Ces contraintes peuvent être d'ordre environnemental comme par exemple des variations de température. Ces contraintes peuvent également être d'ordre mécanique, notamment à cause de l'enroulement de la fibre de la boucle fibrée. Ces rotations introduisent une modification de la résonance. En effet, la présence de plusieurs polarisations peut dégrader la résonance. De plus, même lorsqu'un élément de réglage de la polarisation est utilisé avant le résonateur, un bruit additif important apparaît, ledit bruit étant différent des composantes de bruit ajoutées lors d'éventuelles conversions électrique/optique et optique/électrique. Ce bruit additif est créé directement par l'interaction entre des modes de résonance ayant tourné en polarisation.

Cet inconvénient limite l'utilisation de ces résonateurs, en particulier pour des applications où la performance en bruit est essentielle, comme pour la stabilisation d'un oscillateur optique-électrique, par exemple.

Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients 1 o précités. A cet effet l'invention a pour objet un résonateur optique composé d'une fibre optique d'entrée, d'une boucle fibrée, d'une fibre optique de sortie, une fraction de la puissance d'un signal optique d'entrée parcourant la fibre optique d'entrée étant injectée dans la boucle fibrée en utilisant un coupleur 15 optique d'entrée, une fraction du signal parcourant la boucle étant transmis sur la fibre de sortie en utilisant un coupleur optique de sortie. La boucle fibrée est composée d'au moins une fibre à maintien de polarisation. Selon un mode de réalisation, un unique coupleur optique est utilisé à la fois en tant que coupleur d'entrée et coupleur de sortie. 20 Selon un aspect de l'invention, les coupleurs utilisés sont des coupleurs à maintien de polarisation. Selon un autre aspect de l'invention, la fibre à maintien de polarisation composant la boucle fibrée est enroulée en bobine et placée sur l'une des deux faces d'une plaque faisant office de support, les autres éléments du 25 résonateur étant sur l'autre face dudit support.

Le résonateur selon l'invention a notamment comme avantage de permettre l'obtention d'un facteur de qualité Q élevé dans le domaine optique et dans le domaine micro-onde tout en garantissant un volume très réduit 30 pour sa mise en oeuvre avec un bruit ajouté faible. L'invention permet donc la mise en oeuvre de système optiques ou optoélectroniques nécessitant un résonateur à hautes performances dans un volume de taille raisonnable. Le résonateur selon l'invention a aussi comme avantage de minimiser le niveau du bruit de phase. Cet aspect ouvre la voie à de nombreuses 35 applications. Dans le domaine temps-fréquence, des sources de fréquence utilisant le résonateur selon l'invention peuvent être couplées à des références atomiques de manière à générer des références temps-fréquence présentant une excellente stabilité aussi bien à court terme qu'à long terme. Ces sources peuvent également être utilisées directement dans des convertisseurs de fréquence à très faible bruit ajouté, pour des bancs de mesure de bruit de phase de laboratoire, par exemple. Dans le domaine des radars ou des capteurs, ces sources permettent l'obtention d'une meilleure précision en diminuant le bruit du système et en augmentant ainsi la sensibilité du radar ou du capteur. Par ailleurs, le signal de sortie d'un oscillateur opto-électronique étant disponible aussi bien dans le domaine optique que dans le domaine hyperfréquence, ceci autorise une diffusion du signal de référence aussi bien par voie optique, au travers d'un fibre par exemple, mais aussi par voie hertzienne en utilisant un câble coaxial ou en espace libre par exemples.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard des dessins annexés parmi lesquels :

la figure 1 donne un exemple d'oscillateur optoélectronique utilisant un résonateur optique ; la figure 2 donne un exemple de résonateur optique à boucle fibrée comprenant deux coupleurs ; la figure 3 donne un exemple de résonateur optique à boucle fibrée comprenant un coupleur.

La figure 1 donne un exemple d'oscillateur optoélectronique utilisant un résonateur optique. Les résonateurs optiques permettent la stabilisation de lasers conduisant à des sources de lumière très pures. Dans le domaine 30 micro-onde, ces résonateurs sont utilisés pour pallier les limitations en coefficient de qualité des résonateurs hyperfréquences. Dans de tels résonateurs, un faisceau optique monomode 106 appelé porteuse optique est généré par un laser 100. Une boucle de stabilisation 108 permet de caler ledit laser 100 sur un mode du résonateur utilisé dans 35 l'oscillateur. Cette boucle 108 peut être réalisée avec différentes techniques. 25 Par exemple, une boucle PDH, acronyme venant de l'expression anglo-saxonne « Pound Drever Hall », peut être utilisée. Un autre exemple de mise en oeuvre de cette boucle consiste en l'utilisation d'un interféromètre optique. La porteuse optique est ensuite modulée 101 par le signal de retour de boucle. Le signal résultant de cette modulation traverse ensuite un résonateur optique 102 possédant plusieurs modes, dont aux moins deux d'entre eux sont distants de la fréquence de modulation micro-onde choisie. Une sortie optique 106 peut être disponible en sortie du résonateur et utilisée par exemple comme signal de référence de fréquence pour une antenne ou un dispositif lointain par rapport à l'oscillateur. Le signal est ensuite restitué dans le domaine micro-onde par détection du battement optique sur une photodiode rapide 103. Le signal généré par la photodiode est amplifié en utilisant un amplificateur micro-onde 105 réalisant un gain de boucle supérieur à 1 permettant ainsi l'entretien de l'oscillation. Une sortie micro- onde 107 est disponible et exploitable suite à cette amplification. Suite à l'amplification du signal, un déphaseur 109 permet d'ajuster précisément la longueur de la contre réaction micro-onde à la fréquence du mode choisi, celui-ci n'étant pas toujours nécessaire. Le signal est ensuite filtré 104 en utilisant un filtre micro-onde. Le filtre micro-onde aide le système à démarrer sur un mode de battement du résonateur qui en présente parfois plusieurs dans la bande de contre réaction micro-onde. Le signal résultant du filtrage est utilisé pour contrôler le modulateur 101.

L'utilisation d'un résonateur optique permet de bénéficier aux fréquences micro-ondes de facteurs de qualité important ne pouvant être obtenus que dans le domaine optique. Le facteur de qualité équivalent est néanmoins réduit du rapport entre la fréquence de la porteuse optique et celle du signal modulant micro-onde tel que décrit dans l'article de P.H. Merrer, H. Brahimi et O. Llopis intitulé Optical techniques for microwave stabilization : resonant versus delay line approaches and related modelling problems, Proc. Of the IEEE-MWP 2008, Int. Topical Meeting on Microwave Photonics, Gold Coast, Australie, Septembre 2008, pages 146-149. A titre d'exemple, pour une porteuse optique à 200 THz et une fréquence de modulation fRF = 20 GHz, il y a un rapport de 104 entre le facteur de qualité optique et le facteur de qualité micro-onde. II est donc avantageux d'utiliser pour ces dispositifs des résonateurs optiques présentant des coefficients de qualité élevés, par exemple au-delà de 108. Ces résonateurs optiques peuvent être utilisés pour filtrer des signaux micro-ondes, ou pour stabiliser des oscillateurs micro-ondes. Un exemple de système permettant la stabilisation d'oscillateur est donné dans l'article de L. Maleki, S. Yao, Y. Ji et V. llchenko intitulé New shemes for improved optoelectronic Oscillator, MWP 1999, Topical Meeting on Microwaves Photonics, 17-19 novembre 1999, pages 177-180, vol. 1. Cette approche a été proposée à l'origine pour résoudre les problèmes associés aux oscillateurs micro-ondes basés sur une ligne à retard optique. Ces dispositifs sont performants en termes de stabilité en fréquence à court terme, c'est-à-dire en terme de performance en bruit de phase. Comme explicité précédemment, ceux-ci sont très volumineux car ils utilisent une ou plusieurs bobines de fibre optique de plusieurs kilomètres de long.

Une solution est proposée dans l'article de L. Maleki, S. Yao, Y. Ji et V. llchenko est de remplacer la bobine de fibre par un élément résonant, et plus particulièrement un résonateur à modes de galerie WGM, acronyme venant de l'expression anglo-saxonne « wishpering galery modes » de type sphère ou disque. Les sphères peuvent être par exemple des billes de silice obtenues par fusion comme décrit dans l'article de P.H. Merrer, O. Llopis, S. Bonnefont, P. Feron et G. Cibiel intitulé Microwave filtering using high Q optical resonators, Procedings of the 2008 European Microwave Conference, Amsterdam, pctobre 2008, pages 381-384. Les résonateurs de type disque sont généralement des disques monocristallins polis au niveau de la tranche.

Certains résonateurs de forme torique et peuvent également atteindre la gamme de coefficients de qualité souhaitée.

La figure 2 donne un exemple de résonateur optique à boucle fibrée comprenant deux coupleurs. Une fraction de la puissance optique incidente de la porteuse optique 200 transmise par une fibre d'entrée 205 est prélevée par un premier coupleur 201 et injectée dans une boucle fibrée 204. Un second coupleur récupère 202 une fraction de la puissance du signal de boucle 208 pour la transmettre vers en sortie 203 sur une fibre de sortie 206, le reste de la puissance étant réinjecté 207 dans la boucle fibrée 204. Dans un exemple de mise en oeuvre, des coupleurs 99/1, c'est-à-dire des coupleurs 20 dB, peuvent être utilisés. D'autres coefficients de couplage peuvent aussi être utilisés en tenant compte du compromis à trouver entre les pertes en transmission et le coefficient de qualité recherché. Comme explicité précédemment dans la description, ce résonateur n'est pas utilisable pour des applications faible bruit si une fibre monomode classique est utilisée pour la mise en oeuvre de la boucle fibrée, et ce à cause des problèmes de rotation de polarisation. La boucle fibrée du résonateur selon l'invention peut être réalisée avec de la fibre optique à maintien de polarisation monomode, appelée habituellement fibre PM, acronyme venant de l'expression anglo-saxonne « Polarization Maintaining ». Ce type de fibre a pour propriété de maintenir le polarization d'ondes optiques polarisées linéairement la parcourant. Le couplage de la puissance optique entre les modes de polarisation est faible ou inexistant lorsque ce type de fibre est utilisé.

Lorsque une fibre PM est utilisée dans la boucle fibrée, des coupleurs à maintien de polarisation et des soudures spécifiques à la fibre PM peuvent également être utilisés. Les limitations en terme de performances liées à la rotation de modes et au bruit sont alors réduites.

La figure 3 donne un exemple de résonateur optique à boucle fibrée comprenant un coupleur. Un résonateur selon l'invention à boucle fibrée peut également être mis en oeuvre avec un seul coupleur. Dans ce cas, la résonance est effectuée en réaction au lieu d'être en transmission comme c'est le cas pour l'exemple à deux coupleurs.

Lorsqu'un seul coupleur est utilisé, le résonateur présente un minimum de l'amplitude 306 de la fonction de transfert F à la résonance. Une fraction de la puissance optique incidente de la porteuse optique 300 transmise par une fibre d'entrée 301 est prélevée par le coupleur 302 et injectée dans une boucle fibrée 305, ladite boucle étant réalisée avec de la fibre monomode à maintien de polarisation. Une fibre de sortie 304 positionnée en sortie du coupleur 302 comporte le signal de sortie 303, ledit signal de sortie étant composé de la combinaison de la portion du signal d'entrée 300 non injecté dans la boucle fibrée 305 et de la portion du signal 307 de la boucle fibrée 305 non rebouclé lors de son passage au niveau du coupleur 302.

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1- Résonateur optique composé d'une fibre optique d'entrée (205), d'une boucle fibrée (204), d'une fibre optique de sortie (206), une fraction de la puissance d'un signal optique d'entrée (200) parcourant la fibre optique d'entrée (205) étant injectée dans la boucle fibrée (204) en utilisant un coupleur optique d'entrée (201), une fraction du signal parcourant la boucle (203) étant transmis sur la fibre de sortie (206) en utilisant un coupleur optique de sortie (202), le résonateur étant caractérisé en ce que la boucle fibrée est composée d'au moins une fibre à maintien de polarisation.
2. 2- Résonateur optique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un coupleur optique (302) est utilisé à la fois en tant que coupleur d'entrée et coupleur de sortie.
3. 3- Résonateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les coupleurs utilisés sont des coupleurs à maintien de polarisation.
4. 4- Résonateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la fibre à maintien de polarisation composant la boucle fibrée (204) est enroulée en bobine et placée sur l'une des deux faces d'une plaque faisant office de support, les autres éléments du résonateur étant sur l'autre face dudit support.