EP1490659A2 - Dispositif d analyse de spectre optique - Google Patents

Dispositif d analyse de spectre optique

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Publication number
EP1490659A2
EP1490659A2 EP03740546A EP03740546A EP1490659A2 EP 1490659 A2 EP1490659 A2 EP 1490659A2 EP 03740546 A EP03740546 A EP 03740546A EP 03740546 A EP03740546 A EP 03740546A EP 1490659 A2 EP1490659 A2 EP 1490659A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
spectral
bragg
extractor
extractors
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03740546A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Christophe Martinez
Sylvain Magne
Pierre Ferdinand
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1490659A2 publication Critical patent/EP1490659A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29304—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by diffraction, e.g. grating
    • G02B6/29316—Light guides comprising a diffractive element, e.g. grating in or on the light guide such that diffracted light is confined in the light guide
    • G02B6/29317—Light guides of the optical fibre type
    • G02B6/29319—With a cascade of diffractive elements or of diffraction operations
    • G02B6/2932—With a cascade of diffractive elements or of diffraction operations comprising a directional router, e.g. directional coupler, circulator
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0256—Compact construction
    • G—PHYSICS
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J3/1895—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating using fiber Bragg gratings or gratings integrated in a waveguide
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29346—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by wave or beam interference
    • G02B6/29358—Multiple beam interferometer external to a light guide, e.g. Fabry-Pérot, etalon, VIPA plate, OTDL plate, continuous interferometer, parallel plate resonator

Definitions

  • the present invention relates to an optical spectrum analysis device which is also called an optical spectrum analyzer.
  • the device which is the subject of the invention uses at least one device called a "very fine spectral extractor", allowing the extraction of a fine spectral band from an optical input signal.
  • the device which is the subject of the invention allows the analysis of this signal with good resolution (of the order of a few picometers) and a limited size.
  • the complexity of this device depends on the spectral range desired for the analysis.
  • the invention applies in particular to the field of optical telecommunications and, more particularly, to those which implement DWDM or dense wavelength division multiplexing ("Dense
  • the device disclosed in document [1] uses an integrated, spectrally dispersive optical component, so as to distribute, by means of an appropriate optical arrangement, the different spectral components of the signal analyzed on a set of photodetectors of the CCD strip type.
  • the integrated optics component which is used in this device, is a "phasar" or optical phase array.
  • the device disclosed in the document [2] uses a tunable Fabry-Perot fiber optic filter, without lens ("lensless optical fiber Fabry-Perot tunable filter").
  • This known device has a drawback: the Fabry-Perot filter used in this device cannot be integrated into the optical fiber so that the manufacturing of the device is relatively complex and expensive.
  • the device disclosed by document [3] uses at least one Bragg grating ("Bragg grating”) operating by reflection.
  • This network is arranged at the output of an optical coupler, the two input channels ("ports") of which are respectively connected to the signal to be analyzed and to a photodetector which collects the light reflected by the network.
  • This known device has a drawback: due to its structure, the resolution which it makes it possible to obtain is not very large.
  • the present invention aims to remedy the above drawbacks by proposing an optical spectrum analysis device which uses at least one spectral extractor.
  • the device which is the subject of the invention makes it possible to obtain better resolution than the device known from document [1].
  • the device which is the subject of the invention is therefore particularly indicated in the case where high precision is required on the measurement of the spectral components of an optical signal.
  • the spectral extractor is writable in the optical fibers so that the device which is the subject of the invention is less complex and less expensive to manufacture than the device known from document [2].
  • the device which is the subject of the invention which uses a spectral extractor, has better resolution than the device known from document [3].
  • the spectral extractor comprises an apodized Bragg grating and a phase-shifted Bragg grating
  • the subject of the present invention is an optical fiber optical spectrum analysis device, this device being characterized in that it comprises: at least one assembly forming a very fine spectral extractor which is tunable in length d wave, this assembly being intended to receive an optical input signal, guided by an optical fiber, and to provide an optical output signal, the optical input signal having a spectral band which we want to analyze, this assembly including:.
  • the means for separating the optical input signal comprises a circulator.
  • the first Bragg grating, which is used in reflection is an apodized Bragg grating.
  • this device comprises a plurality (“a plurality”) of sets each forming a spectral extractor of great finesse, tunable in wavelength, these sets being respectively mounted on parallel channels, the device further comprising an optical switch able to select each of these channels.
  • the device comprises a plurality of assemblies each forming a very fine spectral extractor, tunable in wavelength, these assemblies being used in parallel with:
  • this device comprises a plurality of assemblies each forming a spectral extractor with great finesse, tunable in wavelength, these assemblies being used in parallel with: - a plurality of pairs of gratings
  • Bragg used in transmission and reflection, these Bragg gratings having different Bragg wavelengths so as to cover the entire spectral band of the input optical signal, - a circulator designed to receive the optical signal from input and to separate it, this circulator having two output channels which are respectively connected to two optical switches, each of these two optical switches being able to establish a connection with any one of the spectral extractors,
  • the device comprises a plurality of assemblies each forming a spectral extractor with great finesse, tunable in wavelength, these assemblies being used in series with: a plurality of pairs of networks of
  • these Bragg gratings having different Bragg wavelengths so as to cover the entire spectral band of the input optical signal, a single circulator associated with all of the extractors, this single circulator having two outlet channels, the extractors being distributed over these two outlet channels, - a single light detection means connected to the outputs of all the extractors,
  • an actuator which is common to all the Bragg gratings used in reflection, or in transmission this common actuator being able to tune in wavelength on the one hand each Bragg grating over a spectral range of analysis which is proper to this Bragg grating and on the other hand the set of Bragg grids on the whole of the spectral band which we want to analyze, - a separate actuator for all the Bragg grids used in transmission, or in reflection, this separate actuator being simultaneously provided for the wavelength tuning of each Bragg grating, over a spectral analysis range which is specific to this Bragg grating, and of the set of Bragg grids over the whole the spectral band that we want to analyze, and a spectral over-modulation over a narrow spectral width and over a modulation frequency specific to each of the networks, and a selective detection means, provided for the selective detection between the optical signals coming from the different extractors, this selective detection being obtained by processing the output signal using synchronous detection on the different modulation frequencies of the extractors.
  • each actuator comprises a piezoelectric element.
  • FIG. 1 is a schematic view of a three-way circulator
  • FIG. 2 schematically illustrates an actuator making it possible to vary the stress and / or the temperature applied to a Bragg grating
  • FIGS. 3 and 4 are schematic views of extractors
  • FIG. 5 shows the output spectrum of an extractor, in dB, as a function of the difference in wavelength
  • FIG. 6 illustrates the modification of the shape of the spectral response of the extractor as a function of different phase jump networks
  • FIG. 7 schematically illustrates an assembly of an optical coupler and an optical isolator, capable of replacing a circulator
  • FIG. 8 is a schematic view of an extractor which is adjustable in power
  • FIG. 9 illustrates the principle of power modulation on the spectral response of an extractor
  • FIG. 10 is a schematic view of an example of the invention which uses a very fine wavelength extractor and in which the Bragg gratings are fixed to actuators subjected to one or more voltage checks,
  • Figure 11 schematically illustrates an example of the invention which uses a combination of four extractors in simple configuration
  • Figure 12 illustrates schematically and partially an example of the invention which uses a combination of three couplers to replace the switch 1x4 of figure 11
  • FIG. 13 schematically illustrates an example of the invention which uses a combination of four extractors in parallel as well as three switches and a photodetector
  • FIG. 14 schematically illustrates an example of the invention which uses a combination of four extractors in parallel as well as two switches and four photodetectors,
  • FIG. 15 schematically illustrates an example of the invention which uses a combination of four extractors in paired multifrequency configuration
  • - Figure 16 schematically illustrates an example of the invention which uses a combination of four extractors in unmatched multi-frequency configuration
  • Figure 17 schematically illustrates an example of the invention which uses a complex architecture for one spectral analysis of four optical channels
  • Figures 18 and 19 schematically illustrate the operation of a spectrum analyzer according to the invention, having multi-frequency configuration.
  • the invention uses at least one very fine spectral extractor.
  • This device also called a very fine wavelength extractor, is capable of extracting, from a guided optical input signal, a band of small spectral width ⁇ , centered around a wavelength called length. extraction wave and noted ⁇ e .
  • Such an extraction device is connected, on one side, to an optical input guide and, on the other, to a photodetector.
  • the optical signal having a given spectrum, is sent to the device via the input guide and this device provides an optical output signal, limited to the band of small spectral width ⁇ around ⁇ e .
  • This output signal is transmitted by the output guide.
  • the inlet and outlet guides are optical fibers.
  • S ( ⁇ ) (respectively S '( ⁇ )) be the power spectral density of the input optical signal (respectively output) as a function of the wavelength ⁇ .
  • a wavelength tunable extractor is based on a principle identical to the previous one except that the extraction wavelength can be adjusted by the user.
  • the spectral band of the input signal which can be noted [ ⁇ i; ⁇ f ]
  • this extraction wavelength for example from a value ⁇ e (t) to a value ⁇ e (t + ⁇ t). If the extractor is tunable according to the function ⁇ e (t), equation (1) becomes:
  • equation (1) If the output signal level is checked according to the function ⁇ (t), equation (1) becomes:
  • a complete extractor is a device which integrates the various functionalities presented. The user can thus extract from a guided optical signal "any wavelength" over the tunability range and modulate it in power according to his needs.
  • An extractor uses a circulator, a Bragg grating inscribed in an optical fiber (preferably an apodized grating) and a Bragg grating with phase jump.
  • FIG. 1 shows a diagram of this circulator.
  • At least one actuator can be used, a component to which we return in the following.
  • the tunability of a Bragg grating can be obtained in different ways. The most common take advantage of the variation in the wavelength of
  • Bragg ⁇ B depending on the application of a stress (elongation or compression) or a change in temperature.
  • ⁇ B l, 2 ⁇ + 12 ⁇ T
  • An actuator is therefore a device capable of varying the stresses ⁇ and / or the temperature T applied to a Bragg grating.
  • FIG. 2 is a schematic view of an example of an actuator 8.
  • the Bragg grating 10, formed in an optical fiber 12, is represented by a zone of alternation of dark and light fringes.
  • the actuator 8 is provided with control means 14 and comprises a material 16 allowing the transduction of the stresses and / or temperature changes ⁇ T, from this actuator 8 to the Bragg grating 10.
  • An extractor comprises a Bragg grating (preferably an apodized grating) used in reflection (characterized by a coefficient R ra ( ⁇ )) and a phase jump grating used in transmission (characterized by a coefficient T rsp ( ⁇ )).
  • the association between these two Bragg gratings is preferably made by means of a circulator.
  • RT and TR Two configurations, RT and TR, can then be considered depending on whether the guided wave is first reflected or, on the contrary, transmitted by the first network it encounters.
  • An extractor in an RT configuration, is schematically represented in FIG. 3 and comprises an apodized network 18 and a phase jump network 20, which are mounted on a support 22, thus than a three-way circulator 24 ("ports") vl, v2 and v3.
  • the input of the signal S to be spectrally filtered is done by an optical fiber 26 on the channel v1 of the circulator.
  • the guided wave is therefore directed towards channel v2. There she meets the apodized network.
  • Part of the signal corresponding to the filter band of this network is reflected towards channel v2 and then directed towards channel v3.
  • the remaining signal disperses in a medium 28 consisting of an index matching liquid without which the Fresnel reflections at the end of the fiber risk redirecting a non-negligible part of the input signal into the device.
  • the end of the fiber, on which the network 18 is formed can be cleaved at an angle. It is also possible to use the index adaptation liquid and such a cleavage.
  • the signal s thus extracted from S is supplied by the optical fiber on which the phase jump network is formed.
  • the TR configuration is similar to the previous one.
  • An extractor, using this configuration TR, is schematically represented in FIG. 4 and uses the same components as the extractor of FIG. 3, arranged as seen in FIG. 4.
  • the input signal S is guided in a fiber 30 to the phase jump network 20.
  • the transmitted signal enters • the channel v1 in the circulator which directs it to the channel v2 where it meets the apodized network 18.
  • the reflected signal comes out through channel v3 of the circulator.
  • the output peak of the phase jump network is found at the output.
  • An index adapter liquid and / or a cleavage at an angle to the optical fiber transporting the output signal s_ prevents the signal transmitted by the two networks from being reflected at the output of the device.
  • the circulator also blocks the resonance between the two networks in the extractor of FIG. 4.
  • the RT configuration is characterized by the isolation of its input. No signal entering it comes out through the input channel.
  • the TR configuration is isolated at the output: a signal which enters the device through the outlet has no effect.
  • phase jump network phase shift of ⁇
  • filter bandwidth ⁇ little different from lOpm (at -3dB)
  • no insertion loss and a significant rejection rate since l attenuation is 35dB on a 0.4nm band.
  • Figure 5 shows the output spectrum T t of an extractor, in RT or TR configuration, expressed in decibels, depending on the deviation from the wavelength, noted ⁇ (in nm).
  • Figure 6 shows examples of different extractor responses as a function of different phase jump networks all having a length of 2mm but modulation amplitudes ⁇ n m ⁇ d of 2xl0 "4 (response I), 4xl0 ⁇ 4 (response II) and 8xl0 "4 (response III). It is thus noted that the width ⁇ can be granted. It is specified that the apodized network associated with a length of 4mm and a parameter ⁇ n m ⁇ d equal to 4xl0 "4 .
  • the circulator 24 can be replaced by an optical coupler provided with an isolator. The coupler allows the separation of the signal from one channel to the other and the isolator avoids the creation of cavity effects between the two networks.
  • FIG. 7 This is schematically illustrated in FIG. 7 where we see the optical coupler 32 having four input-output channels. One of these channels is connected to one end of the optical isolator 34. The other end of this isolator forms a channel v1 of the coupler-isolator association.
  • Another coupler channel is not used and placed in an adapter liquid of index 36 and / or cleaved at an angle.
  • the other two channels of the coupler have the references v2 and v3.
  • the channels v1, v2 and v3 in FIG. 7 correspond respectively to the channels v2, vl and v3 in FIG. 3.
  • the use of the circulator is advantageous compared to that of the coupler-isolator association because one of the coupler channels is not used and part of the signal is lost. because of this path.
  • the principle of a tunable extractor is very simple, taking into account the above: if the two networks of FIG. 3 or of FIG. 4 are ' fixed on the same actuator 8a, which is itself fixed on the support 22 and of the kind of the actuator 8 of FIG. 2 and which is provided with control means 14a, it it is possible to modify the Bragg wavelength simultaneously on both networks.
  • the spectral response of the extractor is therefore translated spectrally over the range of tunability.
  • the sensitivity and the scanning interval depends both on the type of actuator 1 and selected Bragg gratings.
  • a power modular extractor requires a configuration different from the previous one.
  • An example of this extractor is schematically represented in FIG. 8.
  • This extractor of FIG. 8 is deduced from the extractor of FIG. 3 in the following manner: the apodized network 18 is replaced by an apodized network 18a whose spectral response is adapted to power modulation in a manner explained below.
  • the network 18a is fixed to an actuator 8b, of the type of the actuator 8 in FIG. 2 and controlled by means 14b.
  • the network 18a is thus fixed on the actuator 8b, itself fixed on the support 22.
  • the differential tunability of the two networks 18a and 20 means that the fine transmission band of the phase jump network is modulated by the response of the apodized network.
  • This is schematically illustrated in FIG. 9.
  • the response of the spectral extractor is the product of T by R.
  • the apodized network 18a must have a lower spectral width than the network 18 since it must move in the transmission band of the phase jump network. Therefore, an apodized network with a lower amplitude of modulation is used than network 18, namely 2xl0 ⁇ 4 instead of 4xl0 "4.
  • An extractor can be produced which is both tunable in wavelength and scalable in power. To do this, two actuators are used so as to allow both tunability of the Bragg wavelength for the two networks and low modulation of the Bragg wavelength of the apodized network, allowing modulation of the output power.
  • An example of such an extractor can be obtained from that of FIG. 8, by fixing the network 20 to an actuator 8c of the kind of the actuator. 8 of FIG. 2 and controlled by means 14c, this actuator 8c being itself fixed on the support 22.
  • the optical spectrum analyzer according to the invention which is schematically represented in FIG. 10, includes a very fine wavelength extractor 38.
  • an optical signal S guided in an input optical fiber 42 is first of all reflected by an apodized Bragg grating 44 and then transmitted by a phase jump Bragg grating 46
  • the spectral responses of these two networks are such that the output signal s corresponds to a fine spectral band of a few picometers from width to half height.
  • the extractor 38 of FIG. 10 also comprises an adapter liquid of index 48 and / or a cleavage at an angle at the end of the optical fiber in which the apodized network 44 is formed.
  • the spectrum analyzer of FIG. 1 further comprises a photodetector 50 intended to detect the optical signal s supplied by the extractor 38.
  • the Bragg gratings 44 and 46 are respectively fixed to actuators 52 and 54 making it possible to vary the wavelengths of Corresponding Bragg.
  • the analyzer also comprises means 56 for controlling these actuators 52 and 54, these means being in particular capable of providing a voltage ramp.
  • the analyzer of FIG. 10 further comprises electronic means 57 for processing the signal supplied by the photodetector 50.
  • This processing consists of a synchronized time detection on the control means 56.
  • FIG. 5 gives a theoretical representation of the transmission response (in dB) of an extractor. For this response, we notice a width at half height less than 10 pm and an extinction rate of -35 dB at 0.2 nm from the central wavelength.
  • the extraction wavelength can be tuned over a range ⁇ around a central wavelength ⁇ c , according to a function ⁇ c + ⁇ (t). The measurement of the extractor output signal during a scanning of the extraction wavelength thus makes it possible to measure the spectrum of the optical input signal over the range of tunability ⁇ .
  • the first is a simple configuration in which the extractors are placed in parallel.
  • the second requires a more elaborate signal processing than the first because it is based on a modulation of the extractors on several frequencies; this is why it is called multi-frequency configuration.
  • the example in FIG. 11 is a simple configuration which includes a combination of four extractors mounted in parallel.
  • the input signal S is distributed over the channels of the different extractors Ei, E 2 , E 3 and E 4 .
  • piezoelectric actuator 58 on which are fixed the networks of Bragg extractors, and means 60 for controlling this actuator, these means being capable of providing a voltage ramp.
  • photodetectors P1, P2, P3 and P4 which are respectively designed to detect the signals of. output of extractors Ei, E 2 .
  • Each photodetector Pi, l ⁇ i ⁇ 4, makes it possible to study part of the spectrum to be analyzed, around a wavelength ⁇ j.
  • the analyzer of FIG. 11 further comprises electronic means 63 for processing the signals supplied by the photodetectors pi, p2, p3 and p4.
  • This processing consists of a synchronized time detection on the control means 60.
  • couplers instead of the switch, it is possible to use a series of couplers or any other system for dividing a guided optical wave.
  • couplers for a combination of 2 n extractors, use 2 n - 1 couplers.
  • n 2
  • Couplers C1, C2 and C3 are therefore used. These are type 2 to 2 couplers. These couplers are cascaded and only three channels of each coupler are used.
  • references el, e2, e3, and e4 denote the input channels of the extractors Ei, E 2 , E 3 and E 4 .
  • the latter simultaneously receive a fraction of the input signal S.
  • the extractors can also be ordered independently.
  • the interest then lies in the simplicity of the architecture. This is however accompanied by the integration of a large number of components. In the following, we present other more complex configurations, allowing the use of fewer components.
  • FIG. 13 an example is thus given of a simple configuration using only a single photodetector 64 and a single circulator 66 but requiring the use of three optical switches 68, 70 and 72 of the 1 ⁇ 4 type before the photodetector 64.
  • This configuration amounts to associating the extractors in parallel.
  • the switches must then be controlled in the same way to always interrogate the right pair of networks.
  • the actuators 74 and 76 are controlled by the same control means 78 which are capable of providing a voltage ramp.
  • Apodized networks are connected, on one side, to the outputs of switch 70 (respectively 68) and, on the other side, to index adapter media (respectively to inputs of the switch 72, the output of which is connected to the photodetector 64.
  • the channel v1 of the circulator receives the signal to be analyzed S and its two other channels v2 and v3 respectively connected to the inputs of the switches 70 and 68.
  • the switches 68 and 70 are controlled so as to connect the two networks of the same extractor via the circulator and the switch 72 is also controlled so as to recover the wavelength thus filtered.
  • the analyzer of FIG. 13 also includes electronic means 79 for processing the signal supplied by the photodetector 64.
  • This processing consists of a synchronized time detection on the control means of the actuators and switches.
  • This processing consists of a synchronized time detection on the control means of the actuators and switches.
  • control means of the switches 68, 70 and 72 of FIG. 13 have the reference 78a in this FIG. 13 and that the control means 68 and 70 of FIG. 14 have the reference 78b in this FIG. 14.
  • Table I summarizes the various elements which make it possible to carry out simple configurations of the kind of the examples of FIGS. 11, 13 and 14.
  • this property can be used to use a configuration of the series type for the association of extractors.
  • the recognition of the signal filtered by an extractor i is not done in the optical spectrum at the wavelength ⁇ i associated with this extractor: it is done by the recognition of the signal of modulation at the frequency f ⁇ imposed on this extractor.
  • Synchronous detections or any other type of frequency filtering can be used to extract the information from each extractor.
  • Two configurations can be considered, one paired and the other unpaired.
  • the paired configuration is an intermediate version between a serial architecture and a parallel architecture. As seen in Figure 15 the signal
  • a first (respectively a second) extractor comprises, as can be seen, a circulator 90 (respectively 92) of which
  • a first channel receives part of the signal S
  • a second channel is associated with two apodized Bragg gratings 94 and 96 (respectively 98 and 100) in series and
  • phase jump 102 and 104 respectively 106 and 108.
  • the end of the optical fiber carrying the network 96 (respectively 100) ends in an index-matching liquid and / or a cleavage at an angle and the end of the optical fiber carrying the network 104 (respectively 108) ends in a photodetector 110 (respectively 112).
  • networks 94 and 100 are fixed parallel to each other on an actuator 114 (respectively 116) and networks 102, 104, 106 and 108 are fixed parallel to each other on an actuator 118.
  • the actuators 114 and 116 are identical.
  • the spectrum analyzer of FIG. 15 also includes means 120 for controlling the actuator 118, these means being capable of providing a voltage ramp.
  • These means 120 also control the actuator 116 (respectively 114) by means of a signal summator 122 (respectively 124), one input of which therefore receives the output signal from these means 120 and of which the other input receives the signal output of a frequency generator 126, at the frequency f x (respectively 128, at the frequency f 2 ), the frequencies fi and f 2 being different.
  • Each extractor therefore removes from the signal to be analyzed S two fine bands respectively centered on two distinct wavelengths, denoted ⁇ ⁇ and ⁇ 3 for one of the extractors and ⁇ 2 and ⁇ 4 for the other extractor.
  • these extractors are, as we have seen, used in power modulation according to the distinct frequencies fi and f 2 , fi being associated with ⁇ x and ⁇ 2 while f 2 is associated with ⁇ 3 and ⁇ 4 .
  • the operating principle of the spectrum analyzer of FIG. 15 is based on the idea of frequency separation of each stage of an extractor.
  • a first two-stage extractor scans the spectral bands n ° 1 and 3 (networks corresponding to ⁇ i and ⁇ 3 ). Each stage is modulated by the two frequencies fi and f 2 . (But note that the stages of this extractor could also sweep overlapping spectral ranges, unlike the case of the example).
  • the second extractor works on the same principle as the first. The use of two identical actuators for the two extractors requires modulation on the same frequencies.
  • the photodetectors 110 and 112 therefore receive the sum of the modulated signals coming from the different stages.
  • Signal processing means 130 are therefore provided for separating the frequency domains according to the frequency, which allows, indirectly, the spectral separation according to the wavelength.
  • Table II summarizes the different elements necessary to achieve a paired multifrequential configuration.
  • the unpaired configuration is a completely series-like architecture where the different extractors are combined so as to form a single one, having several stages.
  • Each stage ⁇ L is modulated ' according to a frequency f ⁇ which is specific to it.
  • a single photodetector is then necessary to receive and process all the signals.
  • synchronous detection or Fourier analysis of the signal allows the separation of the different wavelength ranges.
  • FIG. 16 gives an example of a spectrum analyzer in accordance with the invention, using such a configuration and based on the association of four extractors. More specifically, this spectrum analyzer comprises a circulator 132, a first channel of which receives the signal to be analyzed S, a second channel is associated with a series arrangement of four apodized Bragg gratings 134, 136, 138 and 140, this arrangement being completed by an index adapter liquid and / or a bias cleavage of the optical fiber carrying these four networks, and a third channel is associated with a series connection of four Bragg networks with phase jump 142, 144, 146 and 148 , this assembly being completed by a photodetector 150 connected to electronic means 152 for processing the signals supplied by this photodetector.
  • a circulator 132 a first channel of which receives the signal to be analyzed S
  • a second channel is associated with a series arrangement of four apodized Bragg gratings 134, 136, 138 and 140
  • the networks 134, 136, 138 and 140 are respectively fixed to four piezoelectric actuators 154, 156, 158 and 160 while the four networks 142, 144, 146 and 148 are fixed parallel to each other on the same piezoelectric actuator 162.
  • the spectrum analyzer of figure 16 also comprises means 164 for controlling the actuator 162, these means being capable of providing a voltage ramp.
  • These means 164 also control the actuators 154, 156, 158 and 160 respectively by means of four signal summers 166, 168, 170 and 172, one input of which receives the output signal of these means 164 and the other input of which receives the output signal from a frequency generator.
  • the latter has the reference 173, 174, 176 or
  • 178 and operates at a frequency f x , f 2 , f 3 or f 4 depending on whether it is associated with the actuator 154, 156, 158 or 160.
  • the frequencies fi, f 2 , f 3 and f 4 are different and are respectively associated with four different wavelengths ⁇ l, ⁇ 2, ⁇ 3 and ⁇ 4 which correspond respectively to the pairs of networks 134-148, 136-146, 138-144 and 140-142.
  • the function of the actuator 162 is as follows: to allow the tunability of all the networks over their spectral range of variation.
  • each of the actuators 154, 156, 158 and 160 is as follows: to allow modulation at a frequency f around the tunable wavelength for each apodized network.
  • the processing of the signal supplied by the photodetector 150 consists of a time detection, for example a synchronous detection, which makes it possible to separate the signals received at frequencies fl, f2, f3, f4.
  • the spectrum analyzer of figure 16 works in a similar way to that of figure 15, except except that all of the extractors are combined in a single stage.
  • the photodetector 150 therefore receives the sum of the 4 signals corresponding to the frequencies f1, f2, £ 3 and £ 4.
  • Table III summarizes the different elements necessary to achieve an unpaired multifrequential configuration.
  • the multi-frequency configuration requires means for processing the signal supplied by the photodetector.
  • This processing consists of a temporal detection, for example a synchronous detection.
  • this multi-frequency configuration does not require the division of the input signal. It is therefore possible to analyze the entire spectrum simultaneously without significant reduction in the signal to be detected.
  • the spectral range of measurement is fixed by the number N of extractors used.
  • N the number of extractors used.
  • the following formula can be used to define the measurement range:
  • Adequate conditioning of the optical fibers used can reduce their elongation limit from 1% to 2%, which makes it possible to double the extent of the spectral range for the same number of extractors.
  • the resolution ⁇ is fixed by the width at half-height of the spectral extraction peak and depends on the shape of the two Bragg gratings which are paired. It can range from a few picometers to a few tens of picometers.
  • a light source of fixed wavelength can be used which is regularly connected to the input of a spectrum analyzer according to the invention.
  • the accuracy of the spectrum analyzer then depends on the stability of this source.
  • the insertion losses depend very much on the configuration chosen.
  • the unpaired multi-frequency configuration is the one with the least losses. If we assume that the networks are almost saturated, only the circulator gives losses, of the order 1 to l, 3dB.
  • the sensitivity of a spectrum analyzer according to the invention depends mainly on the type of photodetector chosen, on the desired resolution (plus the peak of The larger the extraction, the more the signal is detected) and the configuration chosen for the spectrum analyzer (due to insertion losses).
  • This sensitivity is also a function of the insertion losses caused by the use of optical couplers and of the other components of the spectrum analyzer.
  • the losses are around 7dB.
  • the power to be detected therefore drops to -52dBm and -45dBm respectively.
  • This sensitivity is also considerably reduced by the frequency acquisition.
  • the integration time on the ⁇ band is decisive depending on the level of the signal to be detected.
  • the acquisition frequency depends on the level of the signal to be detected but also on the modulation frequencies in the case of an ultra-frequency configuration (to avoid beat phenomena).
  • the actuators preferably the piezoelectric actuators, which are important components of the invention.
  • An actuator suitable for the traction of an optical fiber is commercially available from the Jena Company under the reference PX 500 or PX 1500.
  • the displacement / force curve of this actuator is a straight line with a slope of 0.06 N / ⁇ m.
  • the slope of this same straight line is 0.061N / ⁇ m, hence an identical slope.
  • the same actuator must allow
  • the piezoelectric actuator whose reference is PX 400HL has a blocking force of 12ON and a maximum elongation of
  • the simplest consists in using a single actuator capable of cooperating with several optical fibers, for example 8 fibers. In this case, there is a simple configuration.
  • a configuration with several channels takes advantage of the possibility of controlling several actuators (for example eight actuators) from the same control module. 8 actuators are therefore used to actuate 8 optical fibers (corresponding to 64 Bragg gratings in all).
  • the device thus obtained is therefore very complex.
  • FIG. 17 A simple example of the invention, corresponding to such a configuration, is schematically represented in FIG. 17. In this example, one is able to simultaneously analyze four channels on 8 extractors.
  • Each of the channels v1, v2, v3 and v4 is divided in two to go to twice four extractors, tuned to the modulation frequencies f l7 f 2 , f 3 and f 4 .
  • Each channel therefore concerns 8 Bragg wavelengths. Filtering by the two photodetectors relating to the same channel makes it possible to analyze the spectrum almost instantaneously in ranges of 10 to 20 nm. Note that in Figure 17
  • references A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7 and A8 represent the actuators
  • the reference CA represents the control means of the actuators A1, A2, A3 and A4, capable of supplying the latter with a voltage ramp
  • the references FI, F2, F3 and F4 represent signal summers and frequency generators which are respectively associated with the frequencies f x , f 2 , f 3 and f 4 and respectively connect the actuator Al to the actuator A5, the actuator A2 to the actuator A6, the actuator A3 to 1 actuator A7 and actuator A4 to actuator A8, these actuators having the function of achieving both wavelength tunability and the power modulation described above
  • the references dl, d2, d3, d4, d5, d6, d7 and d8 represent the photodetectors of the analyzer of FIG. 17,
  • the reference MT represents the electronic means for processing the signals supplied by these photodetectors, the processing consisting in temporally detecting the signals at frequencies fl, f2 , f3 and f4, in particular by synchronous detection.
  • references ri, r2, r3, r4, r5, r6, r7 and r8 are intended to identify the apodized networks of the first two stages of extractors.
  • the characteristics of the device in FIG. 17 are therefore the following:
  • the device of FIG. 17 offers a spectral range twice as large and four times more analysis channels than the previous solution. This device can therefore be considered as the integration of four spectrum analyzers, broadband and high resolution.
  • the time Tl represents the duration of the scanning.

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Abstract

Dispositif d'analyse de spectre optique. Ce dispositif s'applique notamment aux télécommunications optiques et comprend au moins un ensemble (38) comprenant au moins un moyen (40) de séparation d'un signal d'entrée, au moins un réseau de Bragg (44) utilisé en réflexion, au moins un réseau de Bragg à saut de phase (46) utilisé en transmission, le moyen de séparation étant relié aux réseaux, et au moins un actionneur (52, 54) pour accorder en longueur d'onde les réseaux, et au moins un moyen (50) de détection du signal (s) fourni par cet ensemble.

Description

DISPOSITIF D'ANALYSE DE SPECTRE OPTIQUE DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif d'analyse de spectre optique que l'on appelle également un analyseur de spectre optique.
Comme on le verra par la suite, le dispositif objet de l'invention utilise au moins un dispositif appelé "extracteur spectral à grande finesse", permettant l'extraction d'une fine bande spectrale d'un signal optique d'entrée.
Le dispositif objet de l'invention permet l'analyse de ce signal avec une bonne résolution (de l'ordre de quelques picomètres) et un encombrement limité. La complexité de ce dispositif dépend de la plage spectrale désirée pour l'analyse.
L'invention s'applique notamment au domaine des télécommunications optiques et, plus particulièrement, à celles qui mettent en œuvre le DWDM ou multiplexage dense en longueur d'onde ("Dense
Wavelength Division Multiplexing" ) .
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
On connaît déjà des dispositifs d'analyse de spectres optiques par les documents suivants :
[1] FR 2 794858A, "Dispositif analyseur de spectre optique à réseau de diffraction en optique intégrée", invention de D. Trouchet.
[2] "Tunable analyzer monitors multi- wavelength Systems", Fibre Systems, Février 1999 [3] WO 00/49376A, "Optical spectrum analyzer" .
Le dispositif divulgué par le document [1] utilise un composant d'optique intégrée, spectralement dispersif, de manière à répartir, grâce à un montage optique approprié, les différentes composantes spectrales du signal analysé sur un ensemble de photodétecteurs de type barrette CCD.
Le composant d'optique intégrée, qui est utilisé dans ce dispositif, est un "phasar" ou réseau de phase optique ("optical phase array") .
Ce dispositif connu présente un inconvénient : il ne permet pas d'obtenir une grande résolution. Le dispositif divulgué par le document [2] utilise un filtre accordable de Fabry-Perot à fibre optique, sans lentille ("lensless optical fibre Fabry- Perot tunable filter").
Ce dispositif connu présente un inconvénient : le filtre de Fabry-Perot utilisé dans ce dispositif ne peut être intégré dans la fibre optique de sorte que la fabrication du dispositif est relativement complexe et coûteuse.
Le dispositif divulgué par le document [3] utilise au moins un réseau de Bragg ("Bragg grating") fonctionnant par réflexion. Ce réseau est disposé à la sortie d'un coupleur optique dont les deux voies ("ports") d'entrée sont respectivement reliées au signal à analyser et à un photodétecteur qui récupère la lumière réfléchie par le réseau. Ce dispositif connu présente un inconvénient : du fait de sa structure, la résolution qu'il permet d'obtenir n'est pas très grande.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents en proposant un dispositif d'analyse de spectre optique qui utilise au moins un extracteur spectral . De ce fait, le dispositif objet de l'invention permet d'obtenir une meilleure résolution que le dispositif connu par le document [1] .
Le dispositif objet de l'invention est donc particulièrement indiqué dans le cas où une grande précision est demandée sur la mesure des composantes spectrales d'un signal optique.
De plus, l'extracteur spectral est inscriptible dans les fibres optiques de sorte que le dispositif objet de l'invention est moins complexe et moins coûteux à fabriquer que le dispositif connu par le document [2] .
En outre, le dispositif objet de l'invention, qui utilise un extracteur spectral, a une meilleure résolution que le dispositif connu par le document [3] .
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention où l'extracteur spectral comprend un réseau de Bragg apodisé (« apodized Bragg grating ») et un réseau de Bragg à saut de phase (« phase-shifted Bragg grating ») , la résolution sur la mesure d'un spectre optique est encore meilleure et le dispositif objet de l'invention est alors nettement plus performant que le dispositif connu par le document [3] .
De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif d'analyse de spectre optique à fibre optique, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend : au moins un ensemble formant un extracteur spectral à grande finesse qui est accordable en longueur d'onde, cet ensemble étant destiné à recevoir un signal optique d'entrée, guidé par une fibre optique, et à fournir un signal optique de sortie, le signal optique d'entrée ayant une bande spectrale que l'on veut analyser, cet ensemble comprenant : . au moins un moyen de séparation du signal optique d'entrée, au moins un premier réseau de Bragg utilisé en réflexion, au moins un deuxième réseau de Bragg, formant un réseau de Bragg à saut de phase et utilisé en transmission, le moyen de séparation du signal optique d'entrée étant relié aux premier et deuxième réseaux de Bragg, et au moins un actionneur permettant d'accorder en longueur d'onde les premier et deuxième réseaux de Bragg, et au moins un moyen de détection de lumière, prévu pour détecter le signal optique de sortie qui est fourni par cet l'ensemble. De préférence, le moyen de séparation du signal optique d'entrée comprend un circulateur. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, le premier réseau de Bragg, qui est utilisé en réflexion, est un réseau de Bragg apodisé. Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, ce dispositif comprend une pluralité (« a plurality ») d'ensembles formant chacun un extracteur spectral à grande finesse, accordable en longueur d'onde, ces ensembles étant respectivement montés sur des voies parallèles, le dispositif comprenant en outre un commutateur optique apte à sélectionner chacune de ces voies .
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, le dispositif comprend une pluralité d'ensembles formant chacun un extracteur spectral à grande finesse, accordable en longueur d'onde, ces ensembles étant utilisés en parallèle avec :
- une pluralité de paires de réseaux de Bragg, utilisés en transmission et en réflexion, ces réseaux de Bragg ayant des longueurs d'onde de Bragg différentes de manière à couvrir la totalité de la bande spectrale du signal optique d'entrée,
- un circulateur prévu pour recevoir le signal optique d'entrée et pour séparer celui-ci, ce circulateur ayant deux voies de sortie qui sont respectivement reliées à deux commutateurs optiques, chacun de ces deux commutateurs optiques étant apte à établir une connexion avec l'un quelconque des extracteurs spectraux à grande finesse, et - une pluralité de moyens de détection de lumière qui sont respectivement reliés aux sorties des extracteurs et prévus pour détecter les signaux de sortie de ces extracteurs. Selon un troisième mode de réalisation particulier, ce dispositif comprend une pluralité d'ensembles formant chacun un extracteur spectral à grande finesse, accordable en longueur d'onde, ces ensembles étant utilisés en parallèle avec : - une pluralité de paires de réseaux de
Bragg, utilisés en transmission et en réflexion, ces réseaux de Bragg ayant des longueurs d'onde de Bragg différentes de manière à couvrir la totalité de la bande spectrale du signal optique d'entrée, - un circulateur prévu pour recevoir le signal optique d'entrée et pour séparer celui-ci, ce circulateur ayant deux voies de sortie qui sont respectivement reliées à deux commutateurs optiques, chacun de ces deux commutateurs optiques étant apte à établir une connexion avec l'un quelconque des extracteurs spectraux,
- un unique moyen de détection de lumière, et
- un autre commutateur optique prévu pour établir une connexion entre la sortie de chaque extracteur et cet unique moyen de détection de lumière.
Selon un quatrième mode de réalisation particulier, le dispositif comprend une pluralité d'ensembles formant chacun un extracteur spectral à grande finesse, accordable en longueur d'onde, ces ensembles étant utilisés en série avec : une pluralité de paires de réseaux de
Bragg, utilisés en transmission et en réflexion, ces réseaux de Bragg ayant des longueurs d'onde de Bragg différentes de manière à couvrir la totalité de la bande spectrale du signal optique d'entrée, un unique circulateur associé à l'ensemble des extracteurs, cet unique circulateur ayant deux voies de sortie, les extracteurs étant répartis sur ces deux voies de sorties, - un unique moyen de détection de lumière relié aux sorties de tous les extracteurs,
- un actionneur qui est commun à tous les réseaux de Bragg utilisés en réflexion, ou en transmission, cet actionneur commun étant apte à accorder en longueur d'onde d'une part chaque réseau de Bragg sur une plage spectrale d'analyse qui est propre à ce réseau de Bragg et d'autre part l'ensemble des réseaux de Bragg sur l'ensemble de la bande spectrale que l'on veut analyser, - un actionneur distinct pour tous les réseaux de Bragg utilisés en transmission, ou en réflexion, cet actionneur distinct étant simultanément prévu pour l'accord en longueur d'onde de chaque réseau de Bragg, sur une plage spectrale d'analyse qui est propre à ce réseau de Bragg, et de l'ensemble des réseaux de Bragg sur l'ensemble de la bande spectrale que l'on veut analyser, et une surmodulation spectrale sur une faible largeur spectrale et sur une fréquence de modulation propre à chacun des réseaux, et - un moyen de détection sélective, prévu pour la détection sélective entre les signaux optiques provenant des différents extracteurs, cette détection sélective étant obtenue par un traitement du signal de sortie utilisant une détection synchrone sur les différentes fréquences de modulation des extracteurs.
De préférence, chaque actionneur comprend un élément piézo-électrique.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un circulateur à trois voies,
- la figure 2 illustre schématiquement un actionneur permettant de faire varier la contrainte et/ou la température appliquées à un réseau de Bragg, les figures 3 et 4 sont des vues schématiques d' extracteurs,
- la figure 5 montre le spectre de sortie d'un extracteur, en dB, en fonction de l'écart à la longueur d'onde,
- la figure 6 illustre la modification de la forme de la réponse spectrale de 1 ' extracteur en fonction de différents réseaux à saut de phase,
- la figure 7 illustre schématiquement un assemblage d'un coupleur optique et d'un isolateur optique, apte à remplacer un circulateur, - la figure 8 est une vue schématique d'un extracteur qui est modulable en puissance,
- la figure 9 illustre le principe de la modulation de puissance sur la réponse spectrale d'un extracteur,
- la figure 10 est une vue schématique d'un exemple de 1 ' invention qui utilise un extracteur en longueur d'onde de très grande finesse et dans lequel les réseaux de Bragg sont fixés à des actionneurs soumis à un ou plusieurs contrôles de tension,
- la figure 11 illustre schématiquement un exemple de 1 ' invention qui utilise une association de quatre extracteurs en configuration simple, la figure 12 illustre de façon schématique et partielle un exemple de l'invention qui utilise une association de trois coupleurs permettant de remplacer le commutateur 1x4 de la figure 11,
- la figure 13 illustre schématiquement un exemple de 1 ' invention qui utilise une association de quatre extracteurs en parallèle ainsi que trois commutateurs et un photodétecteur,
- la figure 14 illustre schématiquement un exemple de 1 ' invention qui utilise une association de quatre extracteurs en parallèle ainsi que deux commutateurs et quatre photodétecteurs,
- la figure 15 illustre schématiquement un exemple de l'invention qui utilise une association de quatre extracteurs en configuration multifréquentielle appariée, - la figure 16 illustre schématiquement un exemple de l'invention qui utilise une association de quatre extracteurs en configuration multifrequentielle non appariée,
- la figure 17 illustre schématiquement un exemple de l'invention qui utilise une architecture complexe pour 1 ' analyse spectrale de quatre voies optiques, et les figures 18 et 19 illustrent schématiquement le fonctionnement d'un analyseur de spectre conforme à l'invention, ayant une configuration multi-frequentielle.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L'invention utilise au moins un extracteur spectral à grande finesse. Ce dispositif, également appelé extracteur en longueur d'onde de grande finesse, est capable d'extraire, d'un signal optique d'entrée guidé, une bande de faible largeur spectrale δλ, centrée autour d'une longueur d'onde dite longueur d'onde d'extraction et notée λe. Un tel dispositif d'extraction est relié, d'un côté, à un guide optique d'entrée et, de l'autre, à un photodétecteur.
Le signal optique, ayant un spectre donné, est envoyé au dispositif par 1 ' intermédiaire du guide d'entrée et ce dispositif fournit un signal optique de sortie, limité à la bande de faible largeur spectrale δλ autour de λe. Ce signal de sortie est transmis par le guide de sortie.
De préférence, les guides d'entrée et de sortie sont des fibres optiques. Soit S(λ) (respectivement S ' (λ) ) la densité spectrale de puissance du signal optique d'entrée (respectivement de sortie) en fonction de la longueur d' onde λ. Après passage par l'extracteur, on observe en sortie une simple raie dont l'amplitude est définie par l'amplitude du signal incident à la longueur d'onde d'extraction. Si l'on note ετ (λ) la réponse spectrale de l'extracteur en transmission, on a : S' (λ)=S(λ)xετ(λ)≈S(λe) (1)
Un extracteur accordable en longueur d'onde repose sur un principe identique au précédent mis à part que la longueur d'onde d'extraction peut être ajustée par l'utilisateur. Dans la bande spectrale du signal d'entrée, que l'on peut noter [λi; λf] , on peut donc faire varier, en fonction du temps t, cette longueur d'onde d'extraction, par exemple d'une valeur λe(t) à une valeur λe(t+δt) . Si le contrôle de 1 ' accordabilité de l'extracteur se fait suivant la fonction λe(t), l'équation (1) devient :
S' (λ,t)=S(λ)xετ(λ,t)≈ S(λe(t)) (2) Une autre fonctionnalité peut être ajoutée au dispositif d'extraction simple. Il s'agit de la possibilité de moduler la puissance de la réponse donnée par le dispositif.
On obtient ainsi un extracteur modulable en puissance : on peut faire varier, en fonction du temps, la hauteur_ du pic de largeur à mi-hauteur δλ, centré sur λe.
Si le contrôle du niveau du signal de sortie se fait suivant la fonction τ (t) , l'équation (1) devient :
Un extracteur complet est un dispositif qui intègre les différentes fonctionnalités présentées. L'utilisateur peut ainsi extraire d'un signal optique guidé "une longueur d'onde" quelconque sur la plage d'accordabilité et la moduler en puissance suivant ses besoins .
Un extracteur utilise un circulateur, un réseau de Bragg inscrit dans une fibre optique (de préférence un réseau apodisé) et un réseau de Bragg à saut de phase.
Au sujet de tels réseaux, on se reportera par exemple au document suivant :
[4] WO 99/59009, "Procédé d'inscription des réseaux de Bragg, appareil pour la mise en œuvre de ce procédé et dispositifs à réseaux de Bragg obtenus par ce procédé", invention de Pierre Ferdinand, Sylvain Magne et Christophe Martinez.
On revient ci-après sur le composant appelé circulateur.
On considère l'exemple d'un circulateur à fibres optiques. Il s'agit d'un composant fibre qui permet de diriger un signal guidé dans trois voies, suivant des chemins déterminés . La figure 1 montre un schéma de ce circulateur. Le signal qui pénètre dans le circulateur 2 par la voie ("port") vl de celui-ci sort par la voie v2. Le signal qui pénètre par la voie v2 ressort par la voie v3.
Les autres passages d'une voie à l'autre sont isolés : il n'y a pas de signal de la voie v2 vers la voie vl ni de la voie vl vers la voie v3 ni de la voie v3 vers la voie vl, cette isolation étant généralement obtenue à 20dB ou 30dB près.
Avec un extracteur, on peut utiliser au moins un actionneur, composant sur lequel on revient dans ce qui suit.
L' accordabilité d'un réseau de Bragg peut s'obtenir de différentes manières. Les plus usuelles tirent partie de la variation de la longueur d'onde de
Bragg λB en fonction de l'application d'une contrainte (élongation ou compression) ou d'un changement de température .
Pour caractériser l'effet de la contrainte, on introduit la notion d'allongement relatif ε exprimé en micro-déformations (με) :
ΔL ε = —
L Soumise à une contrainte, une fibre de lm de longueur qui s'allonge de lμm subit un allongement relatif de lμε.
La variation de la longueur d'onde de Bragg λB (en pm) en fonction de l'allongement relatif ε (en με) et d'une variation de température ΔT (en K) est donnée par la relation suivante, calculée pour λB voisine de 1550nm :
ΔλB=l,2ε + 12ΔT Un actionneur est donc un dispositif capable de faire varier les contraintes ε et/ou la température T appliquées à un réseau de Bragg.
La figure 2 est une vue schématique d'un exemple d' actionneur 8. Le réseau de Bragg 10, formé dans une fibre optique 12, est représenté par une zone d'alternance de franges sombres et claires. L' actionneur 8 est muni de moyens de commande 14 et comporte un matériau 16 permettant la transduction des contraintes et/ou des changements de température ΔT, de cet actionneur 8 vers le réseau de Bragg 10.
On donne maintenant divers exemples d' extracteurs .
Un extracteur comprend un réseau de Bragg (de préférence un réseau apodisé) utilisé en réflexion (caractérisé par un coefficient Rra (λ) ) et un réseau à saut de phase utilisé en transmission (caractérisé par un coefficient Trsp(λ)). La réponse spectrale ετ(λ) du dispositif, donnée en transmission, est ainsi : ετ(λ)=Trsp(λ)xRra(λ)
L'association entre ces deux réseaux de Bragg se fait de préférence par l'intermédiaire d'un circulateur.
Deux configurations, RT et TR, peuvent alors être considérées suivant que l'onde guidée est tout d'abord réfléchie ou, au contraire, transmise par le premier réseau qu'elle rencontre.
Un extracteur, dans une configuration RT, est schématiquement représenté sur la figure 3 et comprend un réseau apodisé 18 et un réseau à saut de phase 20, qui sont montés sur un support 22, ainsi qu'un circulateur 24 à trois voies ("ports") vl, v2 et v3.
L'entrée du signal S à filtrer spectralement se fait par une fibre optique 26 sur la voie vl du circulateur. L'onde guidée est donc dirigée vers la voie v2. Elle y rencontre le réseau apodisé.
Une partie du signal correspondant à la bande de filtrage de ce réseau est réfléchie vers la voie v2 puis dirigée vers la voie v3. Le signal restant se disperse dans un milieu 28 constitué par un liquide d'adaptation d'indice sans lequel les réflexions de Fresnel en bout de fibre risquent de rediriger une partie non négligeable du signal d'entrée dans le dispositif. En variante l'extrémité de la fibre, sur laquelle est formé le réseau 18, peut être clivée en biais. On peut aussi utiliser le liquide d'adaptation d'indice et un tel clivage.
La bande spectrale réfléchie dans voie v3 est donnée par le spectre du réseau apodisé qui est caractérisé par une longueur L et une amplitude de modulation d'indice Δnmθd. avec L=10mm et Δnmod=4xl0"4 dans l'exemple, et rencontre le réseau à saut de phase caractérisé, dans l'exemple, par un saut de phase Δφ égal à π, une longueur L égale à 3mm et une amplitude de modulation Δnmod égale à 15xl0"4.
Si les spectres de ces réseaux sont bien accordés, on extrait du signal uniquement le pic central du réseau à saut de phase . Le signal réfléchi par ce dernier se perd dans l'isolation du circulateur. Aucun effet de résonance (du type Fabry-Perot) n'est donc observé entre les deux réseaux.
Le signal s ainsi extrait de S est fourni par la fibre optique sur laquelle est formé le réseau à saut de phase .
La configuration TR est similaire à la précédente. Un extracteur, utilisant cette configuration TR, est schématiquement représenté sur la figure 4 et utilise les mêmes composants que l'extracteur de la figure 3, agencés comme on le voit sur la figure 4.
Le signal d'entrée S est guidé dans une fibre 30 jusqu'au réseau à saut de phase 20. Le signal transmis pénètre par • la voie vl dans le circulateur qui le dirige vers la voie v2 où il rencontre le réseau apodisé 18. Le signal réfléchi ressort par la voie v3 du circulateur.
On retrouve en sortie le pic fin de transmission du réseau à saut de phase. Un liquide adaptateur d'indice et/ou un clivage en biais de la fibre optique transportant le signal de sortie s_ évite au signal transmis par les deux réseaux d'être réfléchi à la sortie du dispositif.
Le circulateur bloque aussi la résonance entre les deux réseaux dans l'extracteur de la figure 4.
La configuration RT est caractérisée par l'isolation de son entrée. Aucun signal qui y pénètre ne ressort par la voie d'entrée. La configuration TR est quant à elle isolée en sortie : un signal qui pénètre dans le dispositif par la sortie n'a aucun effet.
Les extracteurs des figures 3 et 4 fonctionnent effectivement comme on l'a expliqué plus haut. Il faut pour cela que la bande de filtrage du réseau apodisé soit incluse dans la bande de filtrage du réseau à saut de phase .
Dans l'exemple considéré (réseau à saut de phase : déphasage de π, longueur 3mm et réseau apodisé : apodisation sinus, longueur 10mm, Δnmθd=4xl0"4) , on a une largeur de bande de filtrage δλ peu différente de lOpm (à -3dB) , pas de perte d'insertion et un taux de réjection important puisque l'atténuation est de 35dB sur une bande de 0,4nm. On voit cela sur la figure 5 qui montre le spectre de sortie Tt d'un extracteur, en configuration RT ou TR, exprimé en décibels, en fonction de l'écart à la longueur d'onde, noté Δλ (en nm) .
Le choix des spectres caractéristiques du réseau apodisé et du réseau à saut de phase permet de modifier l'allure du filtre de l'extracteur.
La figure 6 montre des exemples de différentes réponses d'extracteurs en fonction de différents réseaux à saut de phase ayant tous une longueur de 2mm mais des amplitudes de modulation Δnmθd de 2xl0"4 (réponse I) , 4xl0~4 (réponse II) et 8xl0"4 (réponse III). On remarque ainsi que la largeur δλ peut être accordée. On précise que le réseau apodisé associé à une longueur de 4mm et un paramètre Δnmθd égal à 4xl0"4. Dans les extracteurs des figures 3 et 4, le circulateur 24 peut être remplacé par un coupleur optique pourvu d'un isolateur. Le coupleur permet la séparation du signal d'une voie sur l'autre et l'isolateur permet d'éviter la création d'effets de cavité entre les deux réseaux.
Ceci est schématiquement illustré par la figure 7 où l'on voit le coupleur optique 32 ayant quatre voies d'entrée-sortie. L'une de ces voies est reliée à une extrémité de l'isolateur optique 34. L'autre extrémité de cet isolateur forme une voie vl de 1 ' association coupleur-isolateur.
Une autre voie de coupleur n'est pas utilisée et placée dans un liquide adapteur d'indice 36 et/ou clivée en biais.
Les deux autres voies du coupleur ont les références v2 et v3.
Les voies vl, v2 et v3 de la figure 7 correspondent respectivement aux voies v2 , vl et v3 de la figure 3.
Du point de vue de la perte à l'insertion, l'utilisation du circulateur est avantageuse par rapport à celle de l'association coupleur-isolateur car l'une des voies du coupleur n'est pas utilisée et une partie du signal est perdue à cause de cette voie.
Le principe d'un extracteur accordable est très simple, compte tenu de ce qui précède : si les deux réseaux de la figure 3 ou de la figure 4 sont' fixés sur un même actionneur 8a, qui est lui-même fixé sur le support 22 et du genre de l' actionneur 8 de la figure 2 et qui est muni de moyens de commande 14a, il est possible de modifier la longueur d'onde de Bragg simultanément sur les deux réseaux.
La réponse spectrale de l'extracteur est donc translatée spectralement sur la plage d' accordabilité .
On retrouve ainsi le principe de l'extracteur accordable tel que défini plus haut. La sensibilité et l'intervalle de balayage dépendent à la fois du type d1 actionneur et des réseaux de Bragg choisis.
Un extracteur modulable en puissance requiert une configuration différente de la précédente. Un exemple de cet extracteur est schématiquement représenté sur la figure 8. Cet extracteur de la figure 8 se déduit de l'extracteur de la figure 3 de la façon suivante : le réseau apodisé 18 est remplacé par un réseau apodisé 18a dont la réponse spectrale est adaptée à la modulation en puissance d'une manière expliquée plus loin.
De plus, le réseau 18a est fixé à un actionneur 8b, du genre de l' actionneur 8 de la figure 2 et commandé par des moyens 14b.
Dans l'exemple de la figure 8, le réseau 18a est ainsi fixé sur l' actionneur 8b, lui-même fixé sur le support 22.
L' accordabilité différentielle des deux réseaux 18a et 20 fait que la fine bande de transmission du réseau à saut de phase est modulée par la réponse du réseau apodisé. Ceci est schématiquement illustré par la figure 9. On a représenté en transmission (T) la réponse du réseau à saut de phase 20 et en réflexion (R) la réponse du réseau apodisé 18a (L=10mm et Δnmθd=2xl0"4) pour différents décalages spectraux, à savoir Onm (I), 0,07nm (II) et 0 , 14nm (III).
La réponse de 1 ' extracteur spectral est le produit de T par R.
La réponse spectrale totale du dispositif diminue bien entendu du cas I au cas III.
On remarque donc qu'une modulation est effectivement obtenue sans modification de la position du pic d'extraction. Le réseau apodisé 18a doit présenter une largeur spectrale plus faible que le réseau 18 puisqu'il doit se déplacer dans la bande de transmission du réseau à saut de phase. De ce fait, on utilise un réseau apodisé d'amplitude de modulation plus faible que le réseau 18, à savoir 2xl0~4 au lieu de 4xl0"4. On peut réaliser un extracteur qui est à la fois accordable en longueur d'onde et modulable en puissance. Pour ce faire, on utilise deux actionneurs de manière à permettre à la fois 1 ' accordabilité de la longueur d'onde de Bragg pour les deux réseaux et la faible modulation de la longueur d'onde de Bragg du réseau apodisé, permettant la modulation de la puissance de sortie.
Un exemple d'un tel extracteur peut être obtenu à partir de celui de la figure 8, en fixant le réseau 20 sur un actionneur 8c du genre de l' actionneur 8 de la figure 2 et commandé par des moyens 14c, cet actionneur 8c étant lui-même fixé sur le support 22.
L'analyseur de spectre optique conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 10, comprend un extracteur en longueur d'onde de très grande finesse 38.
Dans ce dernier, grâce à un circulateur 40, un signal optique S guidé dans une fibre optique d'entrée 42 subit tout d'abord une réflexion par un réseau de Bragg apodisé 44 puis une transmission par un réseau de Bragg à saut de phase 46. Les réponses spectrales de ces deux réseaux sont telles que le signal de sortie s correspond à une fine bande spectrale de quelques picomètres de largeur à mi- hauteur.
Il convient de noter que, dans l'exemple de la figure 10 comme dans les exemples des figures suivantes, on utilise un extracteur en configuration RT (Réflexion puis Transmission) , mais, dans tous les cas, une configuration TR peut aussi être utilisée.
L'extracteur 38 de la figure 10 comprend également un liquide adaptateur d'indice 48 et/ou un clivage en biais à l'extrémité de la fibre 'optique dans laquelle est formé le réseau apodisé 44. De plus, l'analyseur de spectre de la figure 1 comprend en outre un photodétecteur 50 destiné à détecter le signal optique s fourni par l'extracteur 38.
Les réseaux de Bragg 44 et 46 sont respectivement fixés à des actionneurs 52 et 54 permettant de faire varier les longueurs d'onde de Bragg correspondantes .
L'analyseur comprend aussi des moyens 56 de commande de ces actionneurs 52 et 54, ces moyens étant notamment aptes à fournir une rampe de tension. L'analyseur de la figure 10 comprend en outre des moyens électroniques 57 de traitement du signal fourni par le photodétecteur 50.
Ce traitement consiste en une détection temporelle synchronisée sur les moyens de commande 56. La figure 5 donne une représentation théorique de la réponse en transmission (en dB) d'un extracteur. Pour cette réponse, on remarque une largeur à mi-hauteur inférieure à 10 pm et un taux d'extinction de -35 dB à 0,2 nm de la longueur d'onde centrale. La longueur d'onde d'extraction peut être accordée sur une plage Δλ autour d'une longueur d'onde centrale λc, suivant une fonction λc+δλ(t) . La mesure du signal de sortie de l'extracteur lors d'un balayage de la longueur d'onde d'extraction permet ainsi la mesure du spectre du signal optique d'entrée sur la plage d' accordablilité Δλ.
C'est le principe de l'analyseur de spectre objet de l'invention.
Si la plage totale de mesure Δλτ est supérieure à Δλ, on utilise une série d'extracteurs dont les plages de balayage se superposent afin d'assurer la continuité de la mesure sur l'ensemble du spectre à acquérir.
Pour le balayage d'une plage de longueurs d'onde [λi; λf] dont la largeur vaut Δλτ=λf-λι, des extracteurs successifs Ek sont choisis avec des plages d' accordabilité [λk, _ι; λk,k+ι] • Préférentiellement , un léger recouvrement est prévu entre les plages de deux extracteurs successifs, ce recouvrement s ' exprimant par la condition supplémentaire λ+ι,<λk k+ι- Par exemple, si pour couvrir une plage de longueurs d'onde [λi; λf] on utilise quatre extracteurs Ei, E2, E3 et Ξ4, le premier extracteur Ei aura une plage d' accordabilité [λ1/0; λ!,23 avec λιf0=λi; le second extracteur E2 aura une plage d' accordabilité [λ2,ι; λ2,3l ; le troisième extracteur E3 aura une plage d' accordabilité tλ3,2; λ3/4] ; enfin le quatrième extracteur E4 aura une plage d' accordabilité [λ4;3; λ4,5]
On donne dans ce qui suit des exemples de l'invention permettant de réaliser l'association des différents extracteurs et, en particulier, deux architectures pour cette association.
La première est une configuration simple dans laquelle les extracteurs sont mis en parallèle. La seconde nécessite un traitement du signal plus élaboré que la première car elle est fondée sur une modulation des extracteurs sur plusieurs fréquences; c'est pourquoi on l'appelle configuration multifrequentielle .
L'exemple de la figure 11 est une configuration simple qui comprend une association de quatre extracteurs montés en parallèle. Dans ce cas, on répartit le signal d'entrée S sur les voies des différents extracteurs Ei, E2, E3 et E4.
On voit aussi un actionneur piézo- électrique 58, sur lequel sont fixés les réseaux de Bragg des extracteurs, et des moyens 60 de commande de cet actionneur, ces moyens étant aptes à fournir une rampe de tension.
On voit en outre des photodétecteurs P1,P2,P3 et P4 qui sont respectivement prévus pour détecter les signaux de . sortie des extracteurs Ei, E2,
E3 et E4. Chaque photodétecteur Pi, l<i<4 , permet d'étudier une partie du spectre à analyser, autour d'une longueur d'onde λj.. L'analyseur de la figure 11 comprend en outre des moyens électroniques 63 de traitement des signaux fournis par les photodétecteurs pi, p2 , p3 et p4.
Ce traitement consiste en une détection temporelle synchronisée sur les moyens de commande 60.
Dans l'exemple de la figure 11 on a choisi de placer un commutateur optique 62 du genre 1x4 qui commute le signal d'entrée S sur chacune des voies d'analyse comportant un extracteur. L'avantage d'un tel commutateur est qu'il permet d'analyser la totalité du signal sur chacune des voies. Il n'y a donc pas de perte de puissance.
Il convient cependant de noter que la mesure ne se fait pas instantanément : les plages de balayage des' extracteurs sont interrogées successivement .
A la place du commutateur on peut utiliser une suite de coupleurs ou tout autre système de division d'une onde optique guidée. Dans le cas des coupleurs, pour une association de 2n extracteurs, il faut utiliser 2n — 1 coupleurs .
Dans l'exemple de la figure 12, n vaut 2.
On utilise donc trois coupleurs Cl, C2 et C3. Il s'agit de coupleurs de type 2 vers 2. Ces coupleurs sont montés en cascade et l'on n'utilise que trois voies de chaque coupleur.
Sur la figure 12 (comme sur la figure 11) , les références el, e2, e3 , et e4 désignent les voies d'entrée des extracteurs Ei, E2, E3 et E4. Ces derniers reçoivent simultanément une fraction du signal d'entrée S.
Si l'on utilise des coupleurs 50/50, cette association a l'avantage de diviser le signal en parts égales sur chacune des voies de sortie. Contrairement au cas du commutateur, chaque voie reçoit alors (0, 5)p fois la puissance initiale du signal (où p est le nombre de coupleurs que le signal doit traverser avant d'atteindre l'extracteur), d'où une contrainte plus grande sur la sensibilité des photodétecteurs utilisés. L'acquisition des 2n spectres se fait par contre simultanément, ce qui est un avantage par rapport au commutateur .
Avec la configuration simple, l'ensemble des extracteurs peut être accordé par un actionneur unique ou par plusieurs actionneurs commandés par la même tension de commande.
Les extracteurs peuvent aussi être commandés de manière indépendante. L'intérêt réside alors dans la simplicité de l'architecture. Celle-ci s'accompagne cependant de l'intégration d'un nombre élevé de composants . Dans la suite, nous présentons d'autres configurations plus complexes, permettant l'utilisation de moins de composants.
Il convient de noter que la configuration simple peut avoir d'autres formes que celle de la figure 11.
Sur la figure 13, on donne ainsi l'exemple d'une configuration simple n'utilisant qu'un seul photodétecteur 64 et un seul circulateur 66 mais nécessitant l'utilisation de trois commutateurs optiques 68, 70 et 72 du genre 1 x 4 avant le photodétecteur 64. Cette configuration revient à associer les extracteurs en parallèle.
Les commutateurs doivent alors être commandés de la même manière pour toujours interroger la bonne paire de réseaux.
Dans le cas de la figure 13, on précise que les quatre réseaux apodisés al, a2, a3 et a4 (respectivement les quatre réseaux à saut de phase si, s2, s3 et s4) appartenant respectivement aux quatre extracteurs sont fixés sur un même actionneur piézoélectrique 74 (respectivement 76) .
Les actionneurs 74 et 76 sont commandés par les mêmes moyens de commande 78 qui sont aptes à fournir une rampe de tension.
Les réseaux apodisés (respectivement les réseaux à saut de phase) sont reliés, d'un côté, aux sorties du commutateur 70 (respectivement 68) et, de l'autre côté, à des milieux adaptateurs d'indice (respectivement aux entrées du commutateur 72 dont la sortie est reliée au photodétecteur 64. De plus, comme on le voit sur la figure 13, la voie vl du circulateur reçoit le signal à analyser S et ses deux autres voies v2 et v3 respectivement reliées aux entrées des commutateurs 70 et 68. Pour utiliser l'analyseur de spectre de la figure 13, on commande les commutateurs 68 et 70 de manière à connecter les deux réseaux du même extracteur par l'intermédiaire du circulateur et l'on commande en outre le commutateur 72 de manière à récupérer la longueur d'onde ainsi filtrée.
L'analyseur de la figure 13 comprend aussi des moyens électroniques 79 de traitement du signal fourni par le photodétecteur 64.
Ce traitement consiste en une détection temporelle synchronisée sur les moyens de commande des actionneurs et des commutateurs.
Compte tenu du coût des commutateurs, une configuration légèrement différente peut aussi être intéressante comme le montre la figure 14. Si le coût d'un photodétecteur, multiplié par le nombre de sorties, reste inférieur au coût d'un commutateur, on peut supprimer le commutateur de sortie et prévoir un photodétecteur au bout de chaque extracteur . Pour les figures 13 et 14, les mêmes éléments ont les mêmes références et l'on voit que, dans l'analyseur de spectre de la figure 14, l'ensemble commutateur 72-photodétecteur 64 de la figure 13 a été remplacé par quatre photodétecteurs 80, 82, 84 et 86 qui sont respectivement reliés aux réseaux à saut de phase. Les signaux fournis par ces photodétecteurs sont traités par des moyens électroniques de traitement 87.
Ce traitement consiste en une détection temporelle synchronisée sur les moyens de commande des actionneurs et des commutateurs.
On précise que les moyens de commande des commutateurs 68, 70 et 72 de la figure 13 ont la référence 78a sur cette figure 13 et que les moyens de commande 68 et 70 de la figure 14 ont la référence 78b sur cette figure 14.
Le tableau I résume les différents éléments qui permettent de réaliser des configurations simples du genre des exemples des figures 11, 13 et 14.
TABLEAU I
Les configurations du genre de celles des figures 13 et 14 peuvent donc être particulièrement intéressantes dans le cas de l'utilisation d'un nombre d'extracteurs supérieur à 4.
Il est possible de moduler le signal filtré grâce à un extracteur en induisant un décalage spectral différentiel entre les deux réseaux de cet extracteur.
Dans la présente invention cette propriété peut être mise à profit pour utiliser une configuration du genre série pour l'association des extracteurs.
Dans ce cas, au niveau des photodétecteurs d'analyse, la reconnaissance du signal filtré par un extracteur i ne se fait pas dans le spectre optique à la longueur d'onde λi associée à cet extracteur : elle se fait par la reconnaissance du signal de modulation à la fréquence f± imposée à cet extracteur.
Des détections synchrones ou tout autre type de filtrage fréquentiel (par transformée de Fourier par exemple) sont utilisables pour extraire les informations provenant de chaque extracteur.
Deux configurations peuvent être considérées, l'une appariée et l'autre non appariée.
Dans les exemples qui suivent nous prenons le cas d'un découpage de la plage d'analyse spectrale en quatre parties.
La configuration appariée est une version intermédiaire entre une architecture-série et une architecture-parallèle . Comme on le voit sur la figure 15 le signal
S que l'on veut analyser est tout d'abord divisé en deux parties, grâce à coupleur 88 de type 50/50 dans l'exemple de la figure 15. Chaque partie du signal S parvient alors à un extracteur comportant deux étages .
Plus précisément, dans l'exemple de la figure 15, un premier (respectivement un deuxième) extracteur comprend, comme on le voit, un circulateur 90 (respectivement 92) dont
- une première voie reçoit une partie du signal S, - une deuxième voie est associée à deux réseaux de Bragg apodisés 94 et 96 (respectivement 98 et 100) en série et
- une troisième voie est associée à deux réseaux de Bragg à saut de phase 102 et 104 (respectivement 106 et 108) .
L'extrémité de la fibre optique portant le réseau 96 (respectivement 100) se termine par un liquide adaptateur d'indice et/ou un clivage en biais et l'extrémité de la fibre optique portant le réseau 104 (respectivement 108) se termine par un photodétecteur 110 (respectivement 112) .
En outre, les réseaux 94 et 100 (respectivement 96 et 98) sont fixés parallèlement l'un à l'autre sur un actionneur 114 (respectivement 116) et les réseaux 102, 104, 106 et 108 sont fixés parallèlement les uns aux autres sur un actionneur 118. Les actionneurs 114 et 116 sont identiques. L'analyseur de spectre de la figure 15 comprend aussi des moyens 120 de commande de l' actionneur 118, ces moyens étant aptes à fournir une rampe de tension. Ces moyens 120 commandent aussi 1' actionneur 116 (respectivement 114) par l'intermédiaire d'un sommateur de signaux 122 (respectivement 124) dont une entrée reçoit donc le signal de sortie de ces moyens 120 et dont l'autre entrée reçoit le signal de sortie d'un générateur de fréquence 126, à la fréquence fx (respectivement 128, à la fréquence f2) , les fréquences fi et f2 étant différentes. Chaque extracteur retire donc du signal à analyser S deux fines bandes respectivement centrées sur deux longueurs d'onde distinctes, notées λα et λ3 pour 1 ' un des extracteurs et λ2 et λ4 pour 1 ' autre extracteur. De plus, ces extracteurs sont, comme on l'a vu, utilisés en modulation de puissance suivant les fréquences distinctes fi et f2, fi étant associée à λx et λ2 tandis que f2 est associée à λ3 et λ4.
Le principe de fonctionnement de l'analyseur de spectre de la figure 15 repose sur l'idée de séparation frequentielle de chaque étage d'un extracteur.
Dans l'exemple donné, un premier extracteur à deux étages balaie les bandes spectrale n°l et 3 (réseaux correspondant à λi et λ3) . Chaque étage est modulé par les deux fréquences fi et f2. (Mais remarquons que les étages de cet extracteur pourraient aussi balayer des plages spectrales qui se recouvrent, contrairement au cas de l'exemple) . Le second extracteur fonctionne sur le même principe que le premier. L'utilisation de deux actionneurs identiques pour les deux extracteurs impose la modulation sur les mêmes fréquences.
Les photodétecteurs 110 et 112 reçoivent donc la somme des signaux modulés provenant des différents étages. Des moyens 130 de traitement des signaux sont donc prévus pour séparer les domaines fréquentiels suivant la fréquence, ce qui permet, indirectement, la séparation spectrale suivant la longueur d ' onde .
Le tableau II résume les différents éléments nécessaires à la réalisation d'une configuration multifrequentielle appariée.
TABLEAU II
La configuration non appariée est une architecture complètement du genre série où les différents extracteurs sont associés de manière à n'en former qu'un seul, présentant plusieurs étages.
Chaque étage ^L est modulé' suivant une fréquence f± qui lui est propre-. Un seul photodétecteur est alors nécessaire pour recevoir et traiter l'ensemble des signaux. A la sortie de ce photodétecteur une détection synchrone ou une analyse de Fourier du signal permet la séparation des différentes plages de longueurs d'onde.
La figure 16 donne un exemple d'analyseur de spectre conforme à 1 ' invention, utilisant une telle configuration et fondé sur l'association de quatre extracteurs. Plus précisément, cet analyseur de spectre comprend un circulateur 132 dont une première voie reçoit le signal à analyser S, une deuxième voie est associée à un montage en série de quatre réseaux de Bragg apodisés 134, 136, 138 et 140, ce montage étant terminé par un liquide adaptateur d'indice et/ou un clivage en biais de la fibre optique portant ces quatre réseaux, et une troisième voie est associée à un montage en série de quatre réseaux de Bragg à saut de phase 142, 144, 146 et 148, ce montage étant terminé par un photodétecteur 150 relié à des moyens électroniques 152 de traitement des signaux fournis par ce photodétecteur. Les réseaux 134, 136, 138 et 140 sont respectivement fixés à quatre actionneurs piézoélectriques 154, 156, 158 et 160 tandis que les quatre réseaux 142, 144, 146 et 148 sont fixés parallèlement les uns aux autres sur un même actionneur piézoélectrique 162.
L'analyseur de spectre de la figure 16 comprend aussi des moyens 164 de commande de l' actionneur 162, ces moyens étant aptes à fournir une rampe de tension.
Ces moyens 164 commandent aussi les actionneurs 154, 156, 158 et 160 respectivement par l'intermédiaire de quatre sommateurs de signaux 166, 168, 170 et 172 dont une entrée reçoit le signal de sortie de ces moyens 164 et dont l'autre entrée reçoit le signal de sortie d'un générateur de fréquence. Ce dernier a la référence 173, 174, 176 ou
178 et fonctionne à une fréquence fx , f2, f3 ou f4 selon qu'il est associé à l' actionneur 154, 156, 158 ou 160.
De plus, les fréquences fi, f2, f3 et f4 sont différentes et sont respectivement associées à quatre longueurs d'onde différentes λl, λ2 , λ3 et λ4 qui correspondent respectivement aux couples de réseaux 134-148, 136-146, 138-144 et 140-142.
La fonction de l' actionneur 162 est la suivante : permettre 1 ' accordabilité de l'ensemble des réseaux sur leur plage spectrale de variation.
La fonction de chacun des actionneurs 154, 156, 158 et 160 est la suivante : permettre une modulation à une fréquence f autour de la longueur d'onde accordable pour chaque réseau apodisé.. Dans les moyens 152, le traitement du signal fourni par le photodétecteur 150 consiste en une détection temporelle, par exemple une détection synchrone, qui permet de séparer les signaux reçus aux fréquences fl, f2, f3, f4. L'analyseur de spectre de la figure 16 fonctionne de façon analogue à celui de la figure 15, à ceci près que 1 ' ensemble des extracteurs est réuni dans un seul étage. Le photodétecteur 150 reçoit donc la somme des 4 signaux correspondant aux fréquences fl, f2, £3 et £4.
Le tableau III résume les différents éléments nécessaires à la réalisation d'une configuration multifrequentielle non appariée.
TABLEAU III
Il convient de noter que la configuration multi-frequentielle nécessite des moyens de traitement du signal fourni par le photodétecteur. Ce traitement consiste en une détection temporelle, par exemple une détection synchrone.
Cependant cette configuration multifrequentielle ne nécessite pas la division du signal d'entrée. On peut donc analyser la totalité du spectre simultanément sans réduction importante du signal à détecter.
Dans ce qui suit, on donne les caractéristiques que peuvent avoir des analyseurs de spectre conformes à la présente invention.
Le domaine spectral de mesure est fixé par le nombre N d'extracteurs utilisés. Pour une accordabilité comprise entre 10 nm et 20 nm par extracteur on peut utiliser la formule suivante pour la définition de la plage de mesure:
10xN (nm) <Δλ<20xW(nm)
Un conditionnement adéquat des fibres optiques utilisées peut faire passer leur limite d'élongation de 1% à 2%, ce qui permet de doubler l'étendue de la plage spectrale pour un même nombre d' extracteurs .
La résolution δλ est fixée par la largeur à mi-hauteur du pic d'extraction spectral et dépend de la forme des deux réseaux de Bragg qui sont appariés. Elle peut aller de quelques picomètres à quelques dizaines de picomètres.
Pour remédier aux problèmes de dérive thermique et mécanique sur les réseaux de Bragg et les actionneurs, on utilise une calibration.
De façon classique, pour mettre en oeuvre cette calibration, on peut utiliser une source lumineuse de longueur d'onde fixe que l'on connecte régulièrement à l'entrée d'un analyseur de spectre conforme à l'invention. La précision de l'analyseur de spectre dépend alors de la stabilité de cette source.
Les pertes d'insertion dépendent beaucoup de la configuration choisie. En théorie, la configuration multi-frequentielle non appariée est celle qui présente le moins de pertes. Si l'on suppose que les réseaux sont quasiment saturés, seul le circulateur donne des pertes, de l'ordre 1 à l,3dB.
La configuration simple présente plus de pertes que les autres configurations puisque le signal doit être divisé en autant de voies qu' il y a d' extracteurs .
La sensibilité d'un analyseur de spectre conforme à l'invention, c'est à dire la puissance minimale que doit avoir un signal pour pouvoir être analysé, dépend principalement du type de photodétecteur choisi, de la résolution souhaitée (plus le pic d'extraction est large, plus on détecte le signal) et de la configuration choisie pour l'analyseur de spectre (à cause des pertes d'insertion).
Si l'on prend l'exemple d'une source large émettant lmW (0 dBm) sur une plage de 60 nm (cas typique d'une application de l'invention aux capteurs), la puissance qui sort d'un extracteur de résolution δλ vaut :
Pext = — 48 (dBm/ pm) + lOlog (δλ(pm) ) Si δλ vaut 2pm, on obtient un signal de sortie de -45dBm (33 nW) et si δλ vaut lOpm, le signal monte à -38dBm (0,16 μW) .
Cette sensibilité est aussi fonction des pertes à l'insertion provoquées par l'utilisation de coupleurs optiques et des autres composants de 1 ' analyseur de spectre .
Dans le cas de la configuration simple les pertes sont de l'ordre de 7dB . La puissance à détecter chute donc respectivement à -52dBm et -45dBm. Cette sensibilité est en outre considérablement réduite par la fréquence d'acquisition. Le temps d'intégration sur la bande δλ est déterminant suivant le niveau du signal à détecter.
Dans le cas d'une mesure d'un signal de télécommunication, qui est beaucoup plus important puisque la puissance émise s'étend généralement sur 100 pm, la puissance qui sort de l'extracteur de résolution δλ devient donc :
Pext ≈ — 20 (dBm/pm) + 101og(δλ (pm) )
Si δλ vaut 2pm le signal de sortie vaut donc -lδdBm (16 μW) .
Compte tenu du fait que le signal est plus élevé, la contrainte sur la fréquence d'acquisition est moins forte .
La fréquence d'acquisition dépend du niveau du signal à détecter mais aussi des fréquences de modulation dans le cas d'une configuration ulti- frequentielle (pour éviter les phénomènes de battements) .
Considérons maintenant les actionneurs, de préférence les actionneurs piézoélectriques, qui sont des composants importants de l'invention.
Un actionneur adapté à la traction d'une fibre optique est commercialement disponible auprès de la Société Jena sous la référence PX 500 ou PX 1500. La courbe déplacement/force de cet actionneur est une droite de pente 0,06 N/μm. Dans le cas d'une fibre étirée entre deux points distants de 14 mm, la pente de cette même droite est de 0,061N/μm, d'où une pente identique. Dans certaine configurations de l'invention, un même actionneur doit permettre
1' accordabilité de plusieurs réseaux. De tels actionneurs sont commercialement disponibles auprès de la Société Jena.
A titre d'exemple, l' actionneur piézoélectrique dont la référence est PX 400HL a une force de blocage de 12ON et un allongement maximum de
400 μm et convient à une association comportant huit fibres optiques.
Pour réduire le nombre des actionneurs, qui sont coûteux, le plus simple consiste à utiliser un seul actionneur apte à coopérer avec plusieurs fibres optiques, par exemple 8 fibres. Dans ce cas, on retrouve une configuration simple.
Pour réduire le nombre de circulateurs, qui sont également coûteux, il convient de considérer un analyseur de spectre multi-fréquentiel .
Dans ce cas, l'optimisation de l'utilisation des actionneurs conduit à un analyseur complexe.
La configuration simple reprend le principe de la figure 14. Les caractéristiques principales de 1 ' analyseur de spectre qui en résulte sont alors : — une voie d'analyse
— plage d'analyse : 40nm<Δλ<80nm
— mesure non instantanée .
Une configuration à plusieurs voies (par exemple quatre voies) tire partie de la possibilité de piloter plusieurs actionneurs (par exemple huit actionneurs) à partir d'un même module de commande. On utilise donc 8 actionneurs pour actionner 8 fibres optiques (correspondant à 64 réseaux de Bragg en tout) . Le dispositif ainsi obtenu est donc très complexe . Pour limiter le nombre de circulateurs, on choisit la configuration multi-frequentielle.
Un exemple simple de l'invention, correspondant à une telle configuration, est schématiquement représenté sur la figure 17. Dans cet exemple, on est capable d'analyser simultanément quatre voies sur 8 extracteurs.
Chacune des voies vl, v2 , v3 et v4 est divisée en deux pour aller vers deux fois quatre extracteurs, accordés aux fréquences de modulation fl7 f2, f3 et f4. Chaque voie concerne donc 8 longueurs d'onde de Bragg. Le filtrage par les deux photodétecteurs relatifs à la même voie permet d'analyser le spectre quasiment instantanément par plages de 10 à 20 nm. On précise que sur la figure 17
- les références Al, A2 , A3, A4, A5, A6, A7 et A8 représentent les actionneurs,
- la référence CA représente les moyens de commande des actionneurs Al, A2 , A3 et A4, aptes à fournir à ces derniers une rampe de tension, les références FI, F2 , F3 et F4 représentent des sommateurs de signaux et des générateurs de fréquences qui sont respectivement associés aux fréquences fx, f2, f3 et f4 et relient respectivement l' actionneur Al à l' actionneur A5, l' ctionneur A2 à' l' actionneur A6, l' actionneur A3 à 1' actionneur A7 et l' actionneur A4 à l' actionneur A8, ces actionneurs ayant pour fonction de réaliser à la fois 1 ' accordabilité en longueur d'onde et la modulation de puissance décrite précédemment, - les références dl, d2, d3 , d4 , d5 , d6, d7 et d8 représentent les photodêtecteurs de 1 ' analyseur de la figure 17, la référence MT représente les moyens électroniques de traitement des signaux fournis par ces photodétecteurs, le traitement consistant à détecter temporellement les signaux aux fréquences fl, f2, f3 et f4, notamment par détection synchrone.
On précise en outre que sur la figure 17 les références ri, r2 , r3 , r4 , r5, r6 , r7 et r8 sont destinées à repérer les réseaux apodisés des deux premiers étages d'extracteurs.
Les caractéristiques du dispositif de la figure 17 sont donc les suivantes :
— quatre voies d'analyse, - plage d'analyse 80 nm <Δλ<160nm,
— mesure quasi-instantanée.
Le dispositif de la figure 17 offre une plage spectrale deux fois plus importante et quatre fois plus de voies d'analyse que ' la solution précédente. Ce dispositif peut' donc être considéré comme l'intégration de quatre analyseurs de spectre, à large bande et à haute résolution.
En divisant la plage d'analyse spectrale par deux, le même dispositif (sans les coupleurs 1x2) permettrait une analyse sur huit voies pour un coût équivalent . On donne dans ce qui suit des informations permettant une meilleure compréhension du fonctionnement d'un analyseur de spectre conforme à l'invention, en configuration multi-frequentielle et l'on précise aussi le choix de certains paramètres.
On s'appuie sur la figure 16 et l'on considère le cas où le signal à analyser est émis par une source monochromatique de largeur δλ, centrée dans la bande de balayage du premier extracteur. Dans un premier temps on considère donc ce premier extracteur. Par balayage, il couvre un domaine λn-λi2 grâce à une rampe de tension (voir la figure 18 où le temps t. est porté en abscisses et les' longueurs d'onde λ en ordonnées) . La particularité de la configuration multi- frequentielle fait qu'une modulation de fréquence fl est rajoutée à la rampe de tension.
En pratique cela se traduit par un fonctionnement en commutation "fermé-ouvert" ("on-off") du signal extrait par le premier extracteur, avec une fréquence de commutation fl ou encore un temps de commutation τl .
Sur la figure 18 on a schématiquement représenté le balayage en longueur d'onde du signal extrait par l'extracteur. Du fait de la commutation "on-off", le balayage est discontinu. Chaque trait de la rampe I représente l'extracteur en position "on" et chaque blanc représente la position "off" de cet extracteur. Deux traits successifs sont séparés par le temps de commutation XI .
Le temps Tl représente la durée du balayage .
On considère que le signal entrant dans
1 ' analyseur a un spectre centré en λi avec une largeur δλ. Si cette dernière est suffisamment importante l'extracteur commute plusieurs fois durant l'acquisition du signal.
Ce principe est illustré par la figure 19 qui montre les variations de la puissance P fournie par le détecteur en fonction du temps. On note que l'effet de commutation échantillonne le signal à la fréquence fl. Une détection accordée sur cette fréquence donne donc un signal à un temps Ti à condition que : la fenêtre de détection exprimée en fréquence couvre plusieurs périodes de commutation (δτ=kxtl avec k très supérieur à 1) , la largeur du spectre d'entrée soit suffisante pour couvrir plusieurs périodes de commutation (Tl/τl=kx(λι2-λn) /δλ avec k très supérieur à 1) .
A titre d'exemple, on prend Tl≈ls (durée de balayage), λι2~λn=10nm, δλ=5pm (résolution) et k=10 et l'on obtient : Si l'on considère les quatre extracteurs de la figure 16, on doit considérer quatre fréquences de commutation. Toutes ces fréquences doivent être supérieures à 20kHz si l'on reprend l'exemple précédent . En ce qui concerne la détection, on a une fenêtre de traitement de largeur ÔT égale à 0,5ms. Dans cette fenêtre on doit trouver suffisamment de points de mesure pour assurer le traitement. Si l'on utilise 1000 points de mesure, le photodetecteur doit être rapide à 2MHz . De tels photodétecteurs sont commercialement disponibles.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'analyse de spectre optique à fibre optique, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- au moins un ensemble (38, E1-E2-E3-E4) formant un extracteur spectral à grande finesse qui est accordable en longueur d'onde, cet ensemble étant destiné à recevoir un signal optique d'entrée (S), guidé par une fibre optique (42) , et à fournir un signal optique de sortie (s) , le signal optique d'entrée ayant une bande spectrale que l'on veut analyser, cet ensemble comprenant : au moins un moyen (40, 66, 90-92) de séparation du signal optique d'entrée,
. au moins un premier réseau de Bragg (44, al à a4, 94-96-98-100, 134-136-138-140) utilisé en réflexion, au moins un deuxième réseau de Bragg, formant un réseau de Bragg à saut de phase (46, si à s4, 102-104-106-108, 142-144-146-148) et utilisé en transmission, le moyen de séparation du signal optique d'entrée étant relié aux premier et deuxième réseaux de Bragg, et . au moins un actionneur (52-54, 58, 74-76,
114-116-118, 154-156-158-160-162, Al à A8) permettant d'accorder en longueur d'onde les premier et deuxième réseaux de Bragg, et
- au moins un moyen de détection de lumière (50, P1-P2-P3-P4, 64,80-82-84-86, 110-112, 150, dl à d8) prévu pour détecter le signal optique, de sortie qui est fourni par cet 1 ' ensemble .
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le moyen de séparation du signal optique d'entrée comprend un circulateur (40, 66, 90-92).
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 , dans lequel le premier réseau de Bragg, qui est utilisé en réflexion, est un réseau de Bragg apodisé (44, 94-96-98-100, 134-136-138-140) .
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une pluralité d'ensembles (El, E2, E3 , E4) formant chacun un extracteur spectral à grande finesse, accordable en longueur d'onde, ces ensembles étant respectivement montés sur des voies parallèles, le dispositif comprenant en outre un commutateur optique (62) apte à sélectionner chacune de ces voies.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une pluralité d'ensembles formant chacun un extracteur spectral à grande finesse, accordable en longueur d'onde, ces ensembles étant utilisés en parallèle avec :
- une pluralité de paires de réseaux de Bragg (al-sl, a2-s2, a3-s3, a4-s4) , utilisés en transmission et en réflexion, ces réseaux de Bragg ayant des longueurs d'onde de Bragg différentes de manière à couvrir la totalité de la bande spectrale du signal optique d'entrée,
- un circulateur ( 66 ) prévu pour recevoir le signal optique d'entrée et pour séparer celui-ci, ce circulateur ayant deux voies de sortie qui sont respectivement reliées à deux commutateurs optiques (68-70) , chacun de ces deux commutateurs optiques étant apte à établir une connexion avec l'un quelconque des extracteurs spectraux à grande finesse, et - une pluralité de moyens de détection de lumière (80-82-84-86) qui sont respectivement reliés aux sorties des extracteurs et prévus pour détecter les signaux de sortie de ces extracteurs.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une pluralité d'ensembles formant chacun un extracteur spectral à grande finesse, accordable en longueur d'onde, ces ensembles étant utilisés en parallèle avec :
- une pluralité de paires de réseaux de Bragg (al-sl, a2-s2, a3-s3, a4-s4) , utilisés en transmission et en réflexion, ces réseaux de Bragg ayant des longueurs d'onde de Bragg différentes de manière à couvrir la totalité de la bande spectrale du signal optique d'entrée, - un circulateur (66) prévu pour recevoir le signal optique d'entrée et pour séparer celui-ci, ce circulateur ayant deux voies de sortie qui sont respectivement reliées à deux commutateurs optiques
(68-70) , chacun de ces deux commutateurs optiques étant apte à établir une connexion avec l'un quelconque des extracteurs spectraux,
- un unique moyen de détection de lumière (64), et
- un autre commutateur optique (72) prévu pour établir une connexion entre la sortie de chaque extracteur et cet unique moyen de détection de lumière.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une pluralité d'ensembles formant chacun un extracteur spectral à grande finesse, accordable en longueur d'onde, ces ensembles étant utilisés en série avec :
- une pluralité de paires de réseaux de Bragg (134-148, 136-146, 138-144, 140-142), utilisés en transmission et en réflexion, ces réseaux de Bragg ayant des longueurs d'onde de Bragg différentes de manière à couvrir la totalité de la bande spectrale du signal optique d'entrée, un unique circulateur (132) associé à l'ensemble des extracteurs, cet unique circulateur ayant deux voies de sortie, les extracteurs étant répartis sur ces deux voies de sorties,
- un unique moyen de détection de lumière (150) relié aux sorties de tous les extracteurs,
- un actionneur (162) qui est commun à tous les réseaux de Bragg utilisés en réflexion, ou en transmission, cet actionneur commun étant apte à accorder en longueur d'onde d'une part chaque réseau de Bragg sur une plage spectrale d'analyse qui est propre à ce réseau de Bragg et d'autre part l'ensemble des réseaux de Bragg sur 1 ' ensemble de la bande spectrale que l'on veut analyser,
- un actionneur distinct (154, 156, 158, 160) pour tous les réseaux de Bragg utilisés en transmission, ou en réflexion, cet actionneur distinct étant simultanément prévu pour . l'accord en longueur d'onde de chaque réseau de Bragg, sur une plage spectrale d'analyse qui est propre à ce réseau de Bragg, et de l'ensemble des réseaux de Bragg sur l'ensemble de la bande spectrale que l'on veut analyser, et une surmodulation spectrale sur une faible largeur spectrale et sur une fréquence de modulation propre à chacun des réseaux, et
- un moyen (152) de détection sélective, prévu pour la détection sélective entre les signaux optiques provenant des différents extracteurs, cette détection sélective étant obtenue par un traitement du signal de sortie utilisant une détection synchrone sur les différentes fréquences de modulation des extracteurs .
8. Dispositif selon l'une des quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel chaque actionneur comprend un élément piêzo-êlectrique (52-54, 58, 74-76, 114-116-118, 154-156-158-160-162, Al à A8) .
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