DISPOSITIF POUR LA MESURE D'UNE PHASE SPECTRALE D'UN

SIGNAL PéRIODIQUE

L'invention se rapporte à un dispositif pour mesurer la phase spectrale d'un signal périodique à une fréquence f _p , le signal périodique étant porté par un signal optique.

Un signal résultant de la modulation d'un signal optique porteur par une enveloppe dépendant du temps t peut être exprimé sous la forme suivante :

E(t)=Re(A(t) exp (2iπf ₀ t)), dans lequel A(t) est l'enveloppe complexe du signal optique, fo est la fréquence optique de référence de la porteuse et le sigle Re() désigne la partie réelle d'une fonction complexe.

L'invention vise à déterminer la phase spectrale de la fonction A(t) lorsque A(t) est périodique.

Lorsque la fonction A(t) est une fonction périodique de fréquence f _{p >} elle peut s'exprimer sous la forme suivante :

A(t) = SUM (1 , M, P _k ^{1 /2} exp[i(2(k-1 )πf _p t + φ _k ])

dans lequel

SUM (i, j, f(k)) est la somme pour k allant de i à j des f(k) ; Pk est la puissance du kième mode optique du signal A(t) ; φ _k est la phase du kième mode optique du signal A(t) ;

La phase spectrale de A(t) correspond à l'ensemble des phases φ _k de ses modes optiques.

Plusieurs dispositifs ont été proposés pour mesurer une telle phase spectrale.

Plusieurs de ces dispositifs utilisent une horloge de référence synchronisée sur le signal périodique pour déterminer une mesure de la phase spectrale.

Toutefois, l'utilisation d'une telle horloge de référence synchronisée n'est pas avantageuse, notamment du fait du coût d'adaptation d'une telle horloge pour différents dispositifs émetteurs. Le désavantage des dispositifs de récupération d'horloge est le coup additionnel qu'ils engendrent.

Contrairement à ces dispositifs nécessitant une horloge de référence, l'invention se rapporte à un dispositif autoréférencé de mesure d'une phase spectrale.

Dans le domaine de ces dispositifs autoréférencés, on connaît notamment, de la publication de Gosset et al. « Phase and amplitude characterization of a 40-Ghz self pulsating DBR laser based on autocorrélation analysis », Journal of Lightwave Technology, Vol 24, n° 2, 2006, un dispositif pour mesurer la phase spectrale d'un signal périodique à une fréquence fp, le signal périodique étant porté par un signal optique, comprenant : - des moyens de déphasage;

- des moyens de transmission agencés pour transmettre au moins trois modes optiques appartenant audit signal périodique aux moyens de déphasage, lesdits modes optiques définissant des battements à la fréquence f _p ; - les moyens de déphasage étant agencés pour modifier la différence de phase entre les battements à la fréquence f _p ; des moyens de mesure agencés pour mesurer l'amplitude des battements à la fréquence f _p .

Dans la publication susmentionnée, il a été en effet démontré que, pour une sélection de trois et quatre modes optiques, il est possible de déterminer la phase relative de ces modes optiques. La sélection d'au moins trois modes optiques adjacents permet en effet de définir des battements à la fréquence f _p . Lorsque l'on introduit un déphasage entre les battements à la fréquence f _p , l'amplitude des battements résultant à la fréquence f _p varie. Dans le cas d'un signal à trois modes, cette variation est sinusoïdale. Une mesure de l'amplitude des battements permet alors de déterminer la phase spectrale du signal à trois modes.

Dans la publication susmentionnée, les moyens de mesure pour mesurer l'amplitude des battements comprennent un auto- corrélateur en intensité basé sur une génération de seconde harmonique OPtJqUe _x- SUiVi d'une analyse en série de Fourier du signal fourni par l'autocorrélateur.

Toutefois, un tel auto-corrélateur a une sensibilité faible, de sorte qu'il est nécessaire d'utiliser un amplificateur optique pour amplifier le signal optique filtré en sortie des moyens de déphasage. En outre, le phénomène de génération de seconde harmonique étant sensible à la polarisation du signal optique, il est nécessaire d'utiliser un contrôleur de polarisation en entrée de l'auto- corrélateur.

L'invention vise notamment à pallier ces inconvénients.

Le problème résolu par l'invention est notamment de fournir un dispositif tel que précédemment décrit ayant une meilleure sensibilité.

Ce problème est résolu par un dispositif autoréférencé tel que précédemment décrit dans lequel les moyens de mesure

comprennent des moyens de conversion photoélectrique agencés pour détecter le terme variable à la fréquence f _p de la puissance reçue du signal optique, de sorte à générer un signal électrique correspondant à la superposition des battements optiques à la fréquence f _p , de sorte à générer un signal électrique correspondant à la superposition des battements optiques à la fréquence f _p , et des moyens de mesure électriques agencés pour mesurer l'amplitude du signal électrique, de sorte à déterminer l'amplitude des battements optiques à la fréquence f _p .

L'idée à la base de l'invention est donc d'avoir réalisé que la détection du terme variable à la fréquence f _p permettait une amélioration de la sensibilité du dispositif.

Grâce à ces moyens de conversion photoélectriques, les battements optiques à la fréquence f _p sont convertis en un signal électrique, et c'est ce signal électrique qui est mesuré par des moyens électriques de mesure, ce qui améliore la sensibilité de la mesure de l'amplitude. En effet, dans l'état de l'art antérieur, l'utilisation d'un autocorrélateur ne permet de mesurer que des signaux dont la puissance est supérieure à une valeur typique de l'ordre de 1 mW. Grâce à la conversion directe du signal optique en signal électrique, on peut, dans l'état de l'art actuel de détection des signaux électriques, améliorer la sensibilité d'au moins un facteur 100, et mesurer ainsi des signaux optiques dont la puissance n'excède pas 10 μW.

Dans la publication susmentionnée, une photodiode est utilisée pour transformer un signal optique en un signal électrique avant le passage par un oscilloscope et une analyse de Fourier. Toutefois, une telle photodiode est une photodiode dite lente, au sens où, pour la détection d'un signal ayant une puissance du type P(t) = P ₀ + Picos ((2π f _p ).t + φ), la photodiode ne peut détecter que le terme constant Po et non le terme variable à la fréquence f _p , Picos ((2π

f _p ).t + φ). La publication susmentionnée n'enseigne donc pas un dispositif autoréférencé comprenant des moyens de conversion photoélectrique agencés pour détecter le terme variable à la fréquence f _p de la puissance reçue du signal optique comme dans l'invention.

Au contraire, selon l'invention, le dispositif autoréférencé comprend de tels moyens de conversion photoélectrique agencés pour détecter le terme variable à la fréquence f _p de la puissance reçue du signal optique, par exemple sous la forme d'une photodiode dite rapide, pouvant détecter ce terme variable à la fréquence f _p .

On connaît des photodiodes rapides utilisées pour détecter un terme variable à la fréquence f _p par exemple du document Kockaert et al. « Simple amplitude and phase measuring technique for ultra-high- repetition-rate lasers ». Toutefois, dans ce document, le terme détecté est directement issu de deux modes adjacents, sans introduction d'un déphasage comme dans l'invention. Dès lors, le dispositif décrit dans ce document est un dispositif référencé qui nécessite un signal d'horloge. Par rapport à ce document, l'invention permet de pallier l'inconvénient de l'utilisation d'une horloge de référence. En outre, ce document ne mentionne pas le problème de l'amélioration de la sensibilité par rapport à des systèmes d'auto-corrélation.

Des modes de réalisation avantageux de l'invention sont maintenant décrits.

Selon un premier mode de réalisation, les moyens de conversion comprennent une photodiode ayant une bande passante, la fréquence f _p _étant dans la bande passante.

Selon ce mode de réalisation, puisque la fréquence fp est dans la bande passante de la photodiode, la photodiode peut détecter les battements à la fréquence f _p .

Ce mode de réalisation a notamment l'avantage qu'il est possible d'utiliser des photodiodes très peu sensibles à la polarisation des signaux détectés.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les moyens de conversion comprennent :

- des moyens de modification de fréquence agencés pour modifier les battements à la fréquence f _p en des battements à une deuxième fréquence f _p différente de la fréquence f _p sans modifier la phase des battements; - une photodiode ayant une bande passante, la deuxième fréquence f _p étant dans la bande passante de la photodiode.

Ce mode de réalisation a l'avantage qu'il permet d'utiliser une photodiode ayant une bande passante pouvant être moins élevée que la fréquence f _p du signal périodique, tout en permettant de réaliser la mesure d'amplitude, grâce à une conversion adaptée à la bande passante de la photodiode, lorsque la deuxième fréquence f _p est inférieure à la fréquence f _p du signal périodique.

Selon l'invention, les moyens de déphasage comprennent des fibres optiques de longueurs différentes. Ce n'est qu'un exemple de réalisation. D'autres moyens de déphasages sont possibles : réseaux de Bragg à glissement de fréquence, réseaux de diffraction, etc..

La propagation dans des fibres optiques de longueurs différentes permet en effet de modifier la différence de phase entre les battements à la fréquence f _p .

Selon l'invention, les moyens de transmission comprennent un filtre de préférence accordable en longueur d'onde. La bande passante du filtre est adaptée pour sélectionner au moins trois modes optiques.

Ceci a l'avantage de permettre une sélection simple des différents groupes d'au moins modes optiques du signal périodique. En effectuant successivement l'analyse pour tous les groupes d'au moins trois modes adjacents, ceci permet donc d'avoir une connaissance complète de la phase spectrale du signal périodique pour tous les modes optiques.

On décrit maintenant un mode de réalisation de l'invention en référence aux figures annexées dans lesquelles : FIG. 1 est un schéma illustrant un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ;

FIG. 2 illustre un spectre optique du signal périodique dans un graphique d'intensité en fonction de la longueur d'onde ;

FIG. 3 illustre l'évolution de l'amplitude des battements à la fréquence f _p pour un groupe de trois modes optiques adjacents obtenue selon l'invention en fonction du déphasage introduit entre les deux battements optiques à la fréquence f _p .

Illustré FIG. 1 , un dispositif 1 pour mesurer une phase spectrale d'un signal périodique 1 1 à une fréquence f _p porté par un signal optique. Le signal 11 est généré par un laser 2 du type DBR, acronyme anglais signifiant « Distributed Bragg Reflector », signifiant laser à miroir de bragg distribué. Le laser 2, fonctionnant en régime impulsionnel (blocage de modes), est un laser puisé émettant un signal périodique radiofréquence porté par un signal optique. Le signal périodique radiofréquence a une fréquence de 40 Ghz. Ce n'est qu'un exemple de réalisation de signal périodique optique.

Un tel signal résultant de la modulation d'une onde optique porteuse par une enveloppe dépendant du temps t peut être exprimé sous la forme suivante :

E(t)=Re(A(t) exp (2iπf ₀ t)), dans lequel A(t) est l'enveloppe complexe du signal optique, fo est la fréquence optique de la porteuse et le sigle ReQdésigne la partie réelle d'une fonction complexe.

Le dispositif 1 est agencé pour déterminer la phase spectrale de la fonction A(t), lorsque A(t) est une fonction périodique de fréquence f _p , c'est-à-dire lorsque A(t) peut s'exprimer sous la forme suivante :

A(t) = SUM (1 , M, P _k ^1/2 exp[i(2(k-1 )πf _p t + φ _k ])

dans lequel

SUM (i, j, f(k)) est la somme pour k allant de i à j des f(k) ; Pk est la puissance du kième mode optique du signal optique E(t) ; ψk est la phase du kième mode optique du signal optique E(t) ;

La phase spectrale de A(t) correspond aux phases φ _k de ses modes.

Le dispositif 1 comprend un filtre 3 agencé pour recevoir le signal 1 1 . Le filtre 3 est adapté pour sélectionner trois modes optiques adjacents k1 , k2 et k3 du signal 1 1 représenté par E(t). Le filtre 3 a une bande passante de 1 nanomètre de sorte à être adapté à la fréquence f _p de 40 Ghz.

En sortie du filtre, un signal optique 12 comprenant les trois modes optiques k1 , k2 et k3 est donc généré. Les modes optiques k1 , k2 et k3 sont représentés FIG. 2 dans un graphique de puissance en fonction de la longueur d'onde.

Ce signal 12 est fourni en entrée d'un déphaseur 4. Ce déphaseur 4 est agencé pour introduire un déphasage connu à la phase relative des battements définis par deux modes.

Deux modes optiques adjacents définissent de façon connue en soi un battement à la fréquence fp ayant une phase φ égale à différence des phases des deux modes définissant le battement. Trois modes optiques adjacents définissent deux battements optiques à la fréquence f _p et 1 battement optique à la fréquence 2f _p . La différence de phase entre les deux battements à la fréquence f _p est notée ψ.

Cette différence de phase est définie de façon connue en soi de la façon suivante :

Soit φi , φ∑ et ψ3 les phases respectives des modes optiques k1 , k2 et k3 de la FIG. 2, le premier battement à la fréquence fp défini par les modes optiques k1 et k2 a une phase égale à φ2i = ψ2 - φ-i , et le deuxième battement à la fréquence fp défini par les modes optiques k2 et k3 a une phase égale à φ ₃ 2= ψ3 - ψ2. La phase relative des battements est donc égale à - On note que cette phase relative des battements est égale à une phase du deuxième ordre en fonction des phases des modes propres ψ= φ ₃ - 2φ ₂ + φ-i .

Le déphaseur 4 est alors agencé pour ajouter une phase connue δψ à la différence de phase ψ entre les battements à la fréquence f _p .

Le déphaseur 4 comprend par exemple des fibres optiques dispersives de longueur différentes de sorte à introduire un déphasage connu proportionnel à la longueur des fibres optiques.

De façon générale, l'ensemble 5 formé du laser 2, du filtre 3 et du déphaseur 4, peut être choisi comme dans la publication

susmentionnée « Phase and amplitude characterization of a 40-Ghz self pulsating DBR laser based on autocorrélation analysis ».

En sortie de l'ensemble 5, le signal 13 formé par les trois modes optiques a une amplitude de la forme suivante :

P(t) = P ₀ + P21 COS ((2π f _p ) .t + φ ^' 21) + P32COS ((2π f _p ) .t + φ ^' 3 ₂ ) + P31 COS

dans lequel les termes en cosinus (2π f _p ).t correspondent aux battements à la fréquence fp d'une part entre les modes k1 et k2 et d'autre part entre les modes k2 et k3, et le terme en cosinus (4π f _p ).t correspond à un battement à la fréquence 2 f _p entre les modes k1 et k3. Dans l'expression ci-dessus, les termes φ ^' 21 , φ ^' 32 et φ ₃ i correspondent aux phases des battements déphasés par le déphaseur 4, de telle sorte que (φ 3 ₂ -φ ₂ i)-(φ3 ₂ -φ ₂ i)=δψ

Le dispositif 1 comprend en outre une photodiode 6 ayant une bande passante au moins égale à la fréquence f _p de sorte à pouvoir détecter les battements à la fréquence f _p définis par au moins deux modes optiques adjacents.

La photodiode 6 est donc apte à détecter le terme P ₂₁ COS ((2π f _p ).t + ψ 2i) ⁺ P32COS ((2π f _p ).t + φ 32) dans l'expression de la puissance ci- dessus. Une telle photodiode est connue en soi sous le nom de « photodiode rapide », par opposition à une « photodiode lente » qui ne pourrait détecter que le terme constant Po. Les photodiodes rapides de bande passante B sont des composants permettant de détecter des signaux optiques radiofréquences dont la fréquence radiofréquence est inférieure à B. Par contre, des détecteurs lents ne sont sensibles qu'à la puissance moyenne.

En sortie de la photodiode 6, on obtient donc un signal 14 ayant un profil d'amplitude sous la forme d'une sinusoïde avec le temps, et dont l'amplitude est fonction de δψ, comme illustré FIG. 3.

L'évolution de l'amplitude de ce signal avec le déphasage δψ étant du type A + Bcos (φ + δψ), il est possible, en mesurant l'amplitude du battement pour au moins un déphasage δψ, de déterminer par ajustement la valeur du déphasage ψ entre les deux battements à la fréquence f _p .

Afin de mesurer l'amplitude du signal électrique résultant du battement à la fréquence f _p , le dispositif 1 comprend notamment un redresseur 7 destiné à fournir un signal continu dont la valeur est fonction de l'amplitude à la fréquence f _p du signal 14, et relié à un puissant mètre ou voltmètre 8, ou un autre moyen.

Une fois la valeur du déphasage ψ entre les deux battements à la fréquence f _p obtenu, on obtient les phases φι _< de chacun des modes optiques par la formule suivante :

φ _m =SUM(j = 1 , j=m-1 , SUM(k=1 , k=j-1 , φ _k )), dans lequel φ _k est la différence de phase entre deux battements correspondant à des modes optiques adjacent, avec φ _k = φ _k+ i - 2φ _k + φ _k- i.

Dans une mesure auto-référencée, les phases des deux premiers modes optiques correspondant à m=0 et m=1 sont arbitraires. On peut en choisir d'autres, mais toujours deux. Une variation de la phase φ ₀ est en effet équivalente à une variation de la phase de la porteuse optique, et une variation de la différence φ-i-φo est équivalente à une variation de phase du signal périodique, ce qui revient à changer le moment d'apparition du signal périodique, ce qui ne change pas le profil temporel de la puissance instantanée du signal optique périodique.

Afin d'obtenir les valeurs ψ _k de déphasage entre deux battements adjacents à la fréquence f _p , correspondant à trois modes optiques adjacents, pour l'ensemble des groupes de trois modes optiques contenus dans le signal périodique, on fait varier la zone de filtrage du filtre 3. Ce filtre 3 est donc de préférence un filtre accordable en longueur d'onde de sorte à ne pas devoir changer de filtre à chaque sélection d'un groupe de trois modes optiques.

La connaissance de l'ensemble des différences de phase entre les battements correspondant à des modes optiques adjacents, permet d'obtenir une connaissance complète du profil d'amplitude et de phase du signal émis par le laser 2, puisque ce profil peut-être calculé à partir de la connaissance du spectre optique et des différences de phase entre battements adjacents ψk. Ceci est démontré en détail dans la publication susmentionnée « Phase and amplitude characterization of a 40-Ghz self pulsating DBR laser based on autocorrélation analysis ».

On décrit maintenant des variantes de l'invention.

On a décrit un mode de réalisation dans lequel le filtre 3 est agencé pour sélectionner exactement trois modes optiques du signal périodique généré par le laser 2. La sélection de trois modes optiques fournit une précision satisfaisante sur la mesure de la phase spectrale. Toutefois, en diminuant cette précision, il est possible d'utiliser des filtres sélectionnant plus de trois modes optiques du signal périodique. La précision de la mesure diminue alors lorsque le nombre de modes optiques sélectionnés augmente.

En outre, si la phase spectrale de trois modes optiques particuliers est la seule phase d'intérêt, il n'est pas nécessaire de sélectionner plusieurs groupes de trois modes optiques, de sorte que le filtre 3 n'est pas nécessairement accordable en longueur d'onde. De même,

si le laser 2 génère directement uniquement trois modes optiques, le filtre 3 n'est pas nécessaire, et l'introduction du déphasage peut être réalisé directement en sortie du laser 2.

Par ailleurs, on a décrit un mode de réalisation dans lequel la photodiode 6 est une photodiode rapide ayant une bande passante plus grande que la fréquence f _p du signal périodique.

Toutefois, il est également possible de remplacer une telle photodiode rapide 6 par une autre photodiode apte à détecter les battements à une fréquence f _p inférieure à f _p . Dans ce cas, on positionne, avant une telle photodiode, des moyens de modification de la fréquence des battements de sorte à ramener ces battements à la fréquence f _p pour qu'ils puissent être détectés par la photodiode.

Ces moyens de modification de la fréquence comprennent par exemple un modulateur, modulant sinusoïdalement le signal dont la fréquence est à translater. Ce résultat est une propriété de la transformée de Fourier et est connu dans le domaine du traitement du signal.