EP1490717A2 - Dispositif de filtrage optique - Google Patents

Dispositif de filtrage optique

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Publication number
EP1490717A2
EP1490717A2 EP03740545A EP03740545A EP1490717A2 EP 1490717 A2 EP1490717 A2 EP 1490717A2 EP 03740545 A EP03740545 A EP 03740545A EP 03740545 A EP03740545 A EP 03740545A EP 1490717 A2 EP1490717 A2 EP 1490717A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
components
optical
component
signal
network
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Withdrawn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
EP03740545A
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 EP1490717A2 publication Critical patent/EP1490717A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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
    • G02B6/29379—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 characterised by the function or use of the complete device
    • G02B6/29389—Bandpass filtering, e.g. 1x1 device rejecting or passing certain wavelengths

Definitions

  • the present invention relates to an optical filtering device of the bandpass type, which operates by transmission, and more precisely to a device called a "high finesse spectral extractor", allowing the extraction of a fine spectral band from an optical signal d 'Entrance.
  • this device can be easily made tunable in wavelength over a spectral range ⁇ and / or adjustable in power at a maximum frequency Fmax.
  • the latter and the spectral range are defined by the users, preferably by means of an actuator.
  • the invention has various applications to which we will return later, in particular in the field of optical telecommunications.
  • a filter comprising a "phasar" or optical phase array.
  • the width of its passband is generally greater than a few tens of picometers and it is difficult to make it tunable in wavelength and / or adjustable in power.
  • this component has drawbacks: it provides a signal comprising several orders and does not allow the power of the filtered signal to be modulated in a simple manner.
  • the object of the present invention is to remedy the above drawbacks by proposing an optical filtering device which can be integrated into optical waveguides (preferably optical fibers) and which is capable of being easily tuned in wavelength and / or power modulated.
  • this device is capable of providing a filtered signal comprising only a single peak of very small spectral width around a Bragg wavelength, without simultaneously providing filtering peaks in the vicinity of the central peak, such as the would make the Fabry-Perot type devices.
  • the subject of the present invention is an optical filtering device, characterized in that it comprises: at least one assembly comprising first and second components, the first component being an apodized Bragg grating ("apodized Bragg grating”) ), used in reflection and having a first filter band, the second component being a Bragg grating with at least one phase shift, used in transmission and having at least a second filter band and comprising at least one transmission peak of great fineness, that is to say at least a transmission peak whose width at half height is less than 100 pm but preferably of the order of 20 pm or less (this width being typically between 10 pm and 20 pm) the first filter band being included in the second filter band , and
  • the first and second components of the assembly cooperating with each other and with the optical link means to allow an optical signal, which interacts with one of these first and second components , then interact with the other and be filtered by this set which thus extracts only the part corresponding to the transmission peak of the second component.
  • the relative arrangement of the optical connection means and the first and second components is provided so that the optical signal interacts first with the first component then with the second component or, conversely, first with the second component then with the first component.
  • this device further comprises an actuator, to which the first and second components are fixed and which is designed to simultaneously modify the respective Bragg wavelengths of these first and second components, so that you can tune the device spectrally.
  • this device further comprises an actuator, to which the first component is fixed and which is provided for modifying the Bragg wavelength of this first component, so as to be able to modulate the amplitude of the signal filtered, supplied by the device.
  • this device further comprises a pair of actuators, to which the first and second components are fixed respectively and which is provided for differentially modifying the respective Bragg wavelengths of the first and second components, so as to be able to both spectrally tune the device and modulate the amplitude of the filtered signal.
  • Each actuator may include an element chosen from piezoelectric transducers operating in traction, piezoelectric transducers operating in compression, thermal transducers, mechanical deformation means and elements made of shape memory alloys.
  • the optical connection means can comprise an optical coupler, provided with at least one optical isolator, or an optical circulator.
  • the device which is the subject of the invention comprises a plurality of sets of first and second components, the first components are mounted in series, the second components are also mounted in series and the second filter bands corresponding respectively to the second components are spaced from one another, to allow the optical signal to be filtered by the assemblies which thus extract therefrom only the parts corresponding respectively to the transmission peaks of the second components.
  • the device which is the subject of the invention comprises a plurality of sets of first and second components, the first components are mounted in parallel, the second components are also mounted in parallel and the optical connection means comprise optical switching means provided for successively interacting the optical signal with each of the assemblies so as to extract only the parts of this signal corresponding respectively to the transmission peaks of the second components.
  • FIG. 1 shows the impulse response of an extractor , given in transmission
  • FIG. 2 shows the shape of the spectral reflection coefficient of a Bragg grating
  • FIG. 3 shows the spectral response, given in reflection, of a Bragg grating apodized by a sinusoidal function
  • FIG. 5 is a schematic view of a three-way circulator
  • FIG. 6 is a schematic view of an optical isolator
  • FIG. 7 is a schematic view of an optical fiber coupler
  • FIG. 8 schematically illustrates an actuator making it possible to vary the stress and / or the temperature applied to a Bragg grating
  • FIGS. 9 and 10 are schematic views of extractors in accordance with the invention.
  • FIG. 11 shows the output spectrum of an extractor according to the invention, in dB, as a function of the difference in the wavelength
  • FIG. 12 illustrates the modification of the shape of the extractor spectral response as a function of different phase-jumped gratings
  • FIG. 13 schematically illustrates an assembly of an optical coupler and an optical isolator, capable of replacing a circulator
  • FIG. 14 is a schematic view of an extractor according to the invention, which is adjustable in power
  • FIG. 15 shows the spectral response of an extractor according to the invention, which is adjustable in power
  • FIG. 16 is a schematic view of a device according to the invention, using extractors mounted in series, and
  • FIG. 17 is a schematic view of another device according to the invention, using extractors mounted in parallel.
  • the invention relates to a very fine spectral extractor which is a device capable of extracting, from a guided optical input signal, a band of small spectral width ⁇ , centered around a wavelength called length of extraction wave and denoted ⁇ e .
  • a very fine spectral extractor which is a device capable of extracting, from a guided optical input signal, a band of small spectral width ⁇ , centered around a wavelength called length of extraction wave and denoted ⁇ e .
  • Such an extraction device is connected, on one side, to an optical input guide and, on the other, to an optical output guide.
  • 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.
  • equation (1) If the extractor is tunable according to the function ⁇ e (t), equation (1) becomes:
  • Another functionality can be added to the simple extraction device. This is the possibility of modulating the power of the response given by the device.
  • a complete extractor is a device that integrates the different functions 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 optical filtering device, or extractor, according to the invention can be characterized by the following parameters: ⁇ : width of the filtering band pi: loss on insertion ⁇ : rejection rate
  • ⁇ minimum increment
  • ⁇ scanning interval (spectral range)
  • sp frequency of spectral modulation
  • / pu power modulation frequency
  • the filter band characterizes the finesse with which the extractor filters the input signal.
  • the rejection rate ⁇ r (expressed in dB) accounts for the isolation of the peak in the filter band in terms of power. It is defined, for a given distance ⁇ r relative to the extraction wavelength (see Figure 1) by the relation:
  • the minimum increment ⁇ is a parameter specific to the tunable extractor. It is the spectral increment separating two successive positions of the wavelength.
  • the scanning interval ⁇ relates to the tunable extractor. It characterizes the spectral band separating the smallest wavelength from the longest wavelength that can be extracted over the entire spectrum by the device.
  • the spectral modulation frequency / sp is the frequency at which the wavelength can be tuned over the entire spectral range ⁇ .
  • the power modulation frequency relates to the modular power extractor in the case where the modulation is done over a time period.
  • the frequency / max is the power modulation frequency which can be applied to the extractor.
  • the power modulation amplitude is the value of the maximum modulation amplitude ⁇ max which can be applied to the device.
  • Bragg gratings is a diffracting structure produced longitudinally in an optical fiber by a periodic modification of the refractive index of the core of the fiber. This index can then be represented by the following relation, which involves the step ⁇ of the resulting modulation:
  • ⁇ n avg can depend on z.
  • these two parameters are rectangular functions, defined over the length L of the grating.
  • Figure 2 gives the typical shape of the spectral reflection coefficient R of a grating of
  • Apodized Bragg grating As can be seen on In Figure 2, the spectrum of a uniform network has large side lobes. The creation of an apodized network is based on the principle of the reduction of these lobes.
  • ⁇ n mod (z) is no longer a rectangle function but a symmetrical function with respect to the center of the network, gradually decreasing towards the edges of it.
  • ⁇ n raod (z) is a Gaussian (formula (8)) or sinusoidal (formula (9)) function:
  • Figure 3 shows the typical shape of the spectral reflection coefficient R of a Bragg grating apodized by a sinusoidal function, as a function of the wavelength difference ⁇ (nm) compared to the abscissa of the maximum of R .
  • the network parameters are: length
  • a phase jump Bragg grating is characterized by the presence of a double resonance.
  • the first is the classical resonance of the Bragg grating, which creates the filter band which was previously discussed.
  • the second resonance comes from a punctual change in the phase of the guided signal when it crosses the network. This second phenomenon can cause a counter-resonance at the wavelength of
  • FIG. 5 shows a diagram of this circulator.
  • An optical isolator is one. fiber component which allows the passage of a guided wave in a single direction from a vl channel to a v2 channel (insulation from 35dB to 40dB from v2 to vl).
  • the diagram of an example of an optical isolator 4 is shown in FIG. 6.
  • FIG. 7 An example of an optical coupler is illustrated in FIG. 7.
  • This coupler 6 has four channels v1, v2, v'I and v'2. It distributes an input signal to two output channels symmetrically.
  • an incident signal on the channel v1 is distributed in the channels v'I and v'2 with coupling coefficients which are generally equal to 0.5 and 0.5.
  • An incident signal on channel v'I is distributed identically in channels vl and v2.
  • the tunability of a Bragg grating can be obtained in different ways. The most common take advantage of the variation in the wavelength of
  • a fiber of lm in length which lengthens by l ⁇ m undergoes a relative elongation by l ⁇ .
  • FIG. 8 is a schematic view of an example of an actuator 8.
  • the Bragg grating 10, formed in an optical fiber 12, is represented by an alternation zone 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.
  • a device comprises an apodized network used in reflection (characterized by a coefficient R ra ( ⁇ )) and a phase jump network used in transmission (characterized by a coefficient T rsp ( ⁇ )).
  • optical component which can be a circulator or a coupler.
  • a device according to the invention in an RT configuration, is schematically represented in FIG. 9 and comprises an apodized network 18 and a phase jump network 20, which are mounted on a support 22, as well as a circulator 24 to three way
  • 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.
  • 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.
  • phase jump network is extracted from the signal.
  • the signal reflected by the latter is lost in the insulation of the circulator. No resonance effect (of the Fabry-Perot type) is therefore observed between the two networks.
  • 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.
  • a device according to the invention, using this configuration TR, is schematically represented in FIG. 10 and uses the same components as the device in FIG. 9, arranged as seen in FIG. 10.
  • the input signal S is guided in a fiber 30 to the phase jump network 20.
  • the transmitted signal enters via the channel v1 in the circulator which directs it to the channel v2 where it meets the apodized network 18.
  • the signal reflected spring 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 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 device of FIG. 10.
  • 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 that enters the device through the output has no effect.
  • FIG. 11 shows the output spectrum T of an extractor according to the invention, in RT or TR configuration, expressed in decibels, as a function of the difference in wavelength, denoted ⁇ ( in nm).
  • Figure 12 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 (answer III). It is thus noted that the width ⁇ can be granted. It is specified that the associated apodized network has a length of 4mm and a parameter ⁇ n m0d 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.
  • 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 vl, v2 and v3 in Figure 13 correspond respectively to the channels v3, v2 and vl in Figure 9 or the channels vl, v2 and v3 in Figure 10.
  • a second isolator can be used at the input or output of the component in order to improve its insulation.
  • the use of the circulator is advantageous compared to that of the coupler-isolator association because one of the coupler's channels is not used and part of the signal is lost because of this channel.
  • the principle of a tunable extractor according to the invention is very simple, taking into account the above: if the two networks of FIG. 9 or of FIG. 10 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. 8 and which is provided with control means 14a, it is possible to modify the Bragg wavelength simultaneously on the two networks.
  • the spectral response of the extractor is therefore translated spectrally over the range of tunability.
  • the sensitivity and the scanning interval depend both on the type of actuator and on the Bragg gratings chosen.
  • a device in accordance with the invention, forming a power-adjustable extractor, requires a configuration different from the previous one.
  • An example of this device is schematically represented in FIG. 14.
  • This device of FIG. 14 can be deduced from the device of FIG. 9 as follows: the apodized network 18 is replaced by an apodized network 18a whose spectral response is adapted to the 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. 8 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.
  • 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.
  • an apodized network with a lower amplitude of modulation than network 18 is used, namely 2xl0 "4 instead of 4xl0 " 4 .
  • An extractor can be produced according to
  • An example of such an extractor can be obtained from the device of FIG. 14, by fixing the network 20 to an actuator 8c of the type of the actuator 8 of FIG. 8 and controlled by means 14c, this actuator 8c being itself fixed on the support 22.
  • FIG. 16 This is technically illustrated in FIG. 16 where a device according to the invention uses three extractors E1, E2, and E3 in series, in the RT configuration.
  • Each extractor E1 or E2 or E3 comprises an apodized network 18 ⁇ or 18 2 or 18 3 as well as a phase jump network 20i or 20 2 or 20 3 , these two networks being mounted on a support 22 ⁇ or 22 2 or 22 3 .
  • the networks 18 ⁇ , 18 2 and 18 3 (respectively 20 ⁇ , 20 2 and 20 3 ) are formed in series on the same optical fiber 38 (respectively 40).
  • the circulator 24 of FIGS. 9 and 10 is also used, the channel v2 (respectively v3) of which is connected to one end of the fiber 38 (respectively 40).
  • the other end of the fiber 38 is provided with an adapter liquid of index 42 and / or cleaved at an angle.
  • the signal S to be filtered is also sent on the channel v1 of the circulator and the filtered signal s_ is available at the other end of the optical fiber 40.
  • the three extractors are respectively tuned to extraction wavelengths ⁇ el, ⁇ e2 and ⁇ e3.
  • the isolator can be replaced by an optical coupler provided with an optical isolator.
  • a parallel association of extractors is also possible.
  • it requires the use of three optical switches of the type 1 to N, where N is the number of extractors placed in parallel.
  • N is the number of extractors placed in parallel.
  • FIG. 17 where a device according to the invention, of RT configuration, uses: three extractors which are mounted in parallel, are respectively tuned on three different wavelengths ⁇ el, ⁇ e2 and ⁇ e3 and each include a apodized network 44 ⁇ or 44 2 or 44 3 as well as a phase jump network 46 ⁇ or 46 2 or 46 3 ,
  • the apodized networks are fixed to a support 54 and the networks are of phase are fixed to a support 56.
  • the channel v1 of the circulator receives the signal
  • Channel v2 (respectively v3) is connected to the input of the optical switch 48 (respectively 50).
  • the three apodized networks are respectively connected, on one side, to the three outputs of the switch 48 and, on the other side, to three adapter media of index 58, 60 and 62 (and / or the ends of the optical fibers on which are formed these networks are cleaved at an angle).
  • the three phase jump networks are respectively connected, on one side, to the three outputs of the switch 50 and, on the other side, to the three inputs of the switch 52.
  • the output of the latter provides the filtered signal s.
  • the switches 48 and 50 of the control are controlled. so as to connect the two networks of the same extractor via the circulator and the switch 52 is also controlled so as to recover the wavelength thus filtered. In the example shown, we recover ⁇ i by connecting the 44 ⁇ and 46 ⁇ networks to each other.
  • the isolator can be replaced by an optical coupler provided with an optical isolator.
  • the invention has many applications: it can be used not only in the field of optical telecommunications but also in the field of instrumentation, for manufacturing fiber optic sensors.
  • the invention also applies to the manufacture of a tunable wavelength modulator for use in the field of telecommunications which implement DWDM or dense wavelength division multiplexing ("Dense Wavelength Division Multiplexing") .
  • a tunable wavelength modulator for use in the field of telecommunications which implement DWDM or dense wavelength division multiplexing ("Dense Wavelength Division Multiplexing") .
  • the combination of an apodized network and a phase jump network makes it possible to constitute a sensor in the same way as a Bragg network but with great sensitivity due to the very low bandwidth of the spectral response.
  • the filter band has a width ⁇ which can extend from a few picometers to a few tens of picometers.
  • Losses on insertion depend on the type of extractor chosen and the quality of the circulator used. This circulator introduces typical losses of 0.8dB from one channel to the other. A minimum value of 1.6dB (approximately 31% loss) must therefore be assigned to the pump. In the case of the modular extractor, the association of the two networks can lead to losses of up to 20%, whence a total of 45% of losses.
  • the extinction rate depends on the spectral characteristics of the networks used. This rate can change in particular during the scanning of the apodized network with respect to the phase jump. However, a typical theoretical value is ⁇ r ⁇ 30dB at 0.2nm around ⁇ B. 2) Parameters 1 tunability / modulation
  • the parameters linked to the tunability and modulation properties of the extractors are linked to the characteristics of the actuator (or actuators) used.
  • actuator or actuators
  • two cases of agreement are considered in a non-exhaustive manner, namely an agreement obtained by a Peltier element and a tuning obtained by a piezoelectric element.
  • Shape memory alloys can also be used, as can any system based on the deformation of an object, for example by curvature or by bending.
  • the means generally used for thermal transduction is a Peltier element.
  • a Peltier element thermal cooler can be considered a heat pump.
  • thermocouples which constitute it When the thermocouples which constitute it are connected to a direct current source, it generates a transfer of heat from one of its sides to the other. One side therefore cools while the other heats up. A temperature variation ⁇ T is thus obtained between one face and the other. By reversing the current, the temperature distribution is also reversed.
  • the temperature variation ⁇ T remains limited, however.
  • a typical maximum value is equal to 70 ° C, hence a tunability ⁇ equal to 0.8nm.
  • Peltier elements are available from the DLK Company.
  • the Peltier element is more generally used to stabilize a temperature circuit.
  • the tunability of networks thus preferably uses piezoelectric transducers, which are faster than thermal transducers.
  • a piezoelectric transducer is formed from ceramic materials which have piezoelectric properties: under the effect of an electric field its ceramic structure is deformed. A component such as an optical fiber, which is fixed to the transducer, therefore undergoes elongation (or compression) accompanied by a certain force.
  • the relative elongation and the applied force are linked, for a given tension, by a linear relation which is defined by two characteristic points: the blocking force F b at a given tension, which corresponds to the maximum force developed by the piezo transducer -electric when it is blocked in extension, and
  • This optical fiber also admits a curve of evolution of its elongation as a function of the applied force. If these two quantities occur along the same axis (generally the fiber axis) we have the relationship:
  • the curves relating to the piezoelectric transducer and to the fiber thus define an operating point making it possible to predict the tunability of a Bragg grating.
  • the work developed is maximum when the operating point corresponds to the midpoint of the curve of the piezoelectric transducer.
  • Piezoelectric transducers are available from Piezo Systems, Inc.
  • the Young's modulus E of silica is 7 ⁇ 10 10 N / m.
  • this value can be raised to 2xl0 4 ⁇ , or even more for Bragg gratings of very good quality. It should be noted that, for compression, the limit is much higher and is worth approximately 10 5 ⁇ .
  • the midpoint criterion requires a piezoelectric transducer whose blocking force
  • F b is approximately 18N and the maximum elongation 200 ⁇ m (such transducers being commercially available). This results in an amplitude ⁇ of between 10 nm and 20 nm for the scanning interval.
  • the actuator which verifies the characteristics given above has a sub-nanometric resolution. For a 10mm long network, this gives a sensitivity ⁇ less than 1.2pm over ⁇ B.
  • the modulation frequency depends on the other characteristics of the device, especially if tuning is to be considered.
  • the power modulation requiring a special differential tuning over a small range (about lOOpm), / pu is much greater than / sp .
  • frequencies f pu of the order of a few kilohertz can be proposed.
  • a resistive or capacitive gauge In order to control the stresses generated by the actuator, a resistive or capacitive gauge must be added to it. Indeed, the response of piezoelectric ceramic to an input current is not linear: it is affected by a hysteresis phenomenon.
  • this device is sensitive to temperature.
  • this device for measurements over a long period or in a thermally disturbed environment, it is preferable to place this device in an isothermal enclosure or to provide it with temperature regulation means.
  • examples of the invention have been considered in which the Bragg grating with phase jump only comprises one phase jump.
  • the invention it is also possible to use a Bragg grating comprising more than one phase jump.

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Abstract

Ce dispositif, qui s'applique notamment aux télécommunications optiques, comprend au moins un ensemble comportant un réseau de Bragg apodisé (18), utilisé en réflexion et ayant une première bande de filtrage, et un réseau de Bragg à au moins un saut de phase (20), utilisé en transmission et ayant au moins une deuxième bande de filtrage et comprenant au moins un pic de transmission de grande finesse, la première bande étant incluse dans la deuxième, et des moyens de liaison optique (24), les réseaux coopérant l'un avec l'autre et avec les moyens de liaison pour permettre à un signal optique (S), qui interagit avec l'un des réseaux, d'interagir ensuite avec l'autre et d'être filtré par l'ensemble qui en extrait ainsi uniquement la partie correspondant au pic de grande finesse.

Description

DISPOSITIF DE FILTRAGE OPTIQUE DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif de filtrage optique de type passe-bande, qui fonctionne par transmission, et plus précisément un dispositif appelé "extracteur spectral à grande finesse", permettant l'extraction d'une fine bande spectrale d'un signal optique d'entrée. Comme on le verra mieux par la suite, ce dispositif peut être aisément rendu accordable en longueur d'onde sur une plage spectrale Δλ et/ou modulable en puissance à une fréquence maximale Fmax. Cette dernière et la plage spectrale sont définies par les utilisateurs, de préférence au moyen d'un actionneur .
L'invention a diverses applications sur lesquelles on reviendra par la suite, en particulier dans le domaine des télécommunications optiques.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
On connaît déjà divers filtres optiques de type passe-bande, et en particulier un filtre comprenant un unique réseau de Bragg ("Bragg grating"). Mais un tel filtre fonctionne en réflexion et il est très difficile de lui donner une grande finesse, à moins d'utiliser un réseau apodisé (« apodized grating ») et de grande longueur, ne présentant aucun effet de "chirp" (ce mot désignant la variation de la longueur d'onde de résonance le long du réseau, variation qui provoque l'élargissement de la bande passante) .
On connaît aussi un filtre comportant un réseau de diffraction (« diffraction grating ») massif dont la bande de filtrage ne peut généralement pas être rendue très fine et qui ne peut être formé sur des fibres optiques.
On connaît en outre un filtre comportant un "phasar" ou réseau de phase optique ("optical phase array"). Cependant la largeur de sa bande passante est généralement supérieure à quelques dizaines de picomètres et il est difficile de le rendre accordable en longueur d'onde et/ou modulable en puissance.
Pour le filtrage passe-bande, il est également connu d'utiliser un filtre interférentiel . Ce dernier fonctionne en transmission mais sa bande passante n'est généralement pas très étroite. De plus, un tel filtre ne peut être formé sur des fibres optiques et son utilisation nécessite des moyens d'injection et de collimation/recollimation pour qu'une onde lumineuse guidée par une fibre puisse passer de cette fibre au filtre puis de ce dernier à une autre fibre.
Pour le filtrage passe-bande, il est en outre connu d'utiliser un filtre de Fabry-Perot qui peut être rendu accordable en longueur d'onde mais n'est généralement pas intégrable sur des fibres optiques .
Certes, la Société Micron Optics Inc. a résolu en grande partie ce dernier problème au moyen d'un filtre accordable de Fabry-Perot à fibre, sans lentille ("lensless fibre Fabry-Perot tunable filter"), sur lequel on trouvera des informations dans l'article suivant :
[1] "Tunable analyzer monitors multi- avelength Systems", Fibre Systems, Février 1999.
Cependant, ce composant présente des inconvénients : il fournit un signal comportant plusieurs ordres et ne permet pas de moduler, de façon simple, la puissance du signal filtré.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents en proposant un dispositif de filtrage optique qui est intégrable sur des guides d'ondes optiques (de préférence des fibres optiques) et qui est susceptible d'être facilement accordé en longueur d'onde et/ou modulé en puissance.
En outre, ce dispositif est capable de fournir un signal filtré ne comportant qu'un seul pic de très faible largeur spectrale autour d'une longueur d'onde de Bragg, sans fournir simultanément des pics de filtrage au voisinage du pic central, comme le feraient les dispositifs de type Fabry-Perot.
De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de filtrage optique, caractérisé en ce qu'il comprend : au moins un ensemble comportant des premier et deuxième composants, le premier composant étant un réseau de Bragg apodisé (« apodized Bragg grating ») , utilisé en réflexion et ayant une première bande de filtrage, le deuxième composant étant un réseau de Bragg à au moins un saut de phase (« phase shift ») , utilisé en transmission et ayant au moins une deuxième bande de filtrage et comprenant au moins un pic de transmission de grande finesse, c'est-à-dire au moins un pic de transmission dont la largeur à mi- hauteur est inférieure à lOOpm mais de préférence de l'ordre de 20pm ou moins (cette largeur étant typiquement comprise entre lOpm et 20pm) la première bande de filtrage étant incluse dans la deuxième bande de filtrage, et
- des moyens de liaison optique, les premier et deuxième composants de l'ensemble coopérant l'un avec l'autre et avec les moyens de liaison optique pour permettre à un signal optique, qui interagit avec l'un de ces premier et deuxième composants, d'interagir ensuite avec l'autre et d'être filtré par cet ensemble qui en extrait ainsi uniquement la partie correspondant au pic de transmission du deuxième composant . L'agencement relatif des moyens de liaison optique et des premier et deuxième composants est prévu pour que le signal optique interagisse d'abord avec le premier composant puis avec le deuxième composant ou, inversement, d'abord avec le deuxième composant puis avec le premier composant.
Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, ce dispositif comprend en outre un actionneur, auquel sont fixés les premier et deuxième composants et qui est prévu pour modifier simultanément les longueurs d'onde de Bragg respectives de ces premier et deuxième composants, de manière à pouvoir accorder spectralement le dispositif.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, ce dispositif comprend en outre un actionneur, auquel est fixé le premier composant et qui est prévu pour modifier la longueur d'onde de Bragg de ce premier composant, de manière à pouvoir moduler l'amplitude du signal filtré, fourni par le dispositif. Selon un troisième mode de réalisation particulier, ce dispositif comprend en outre un couple d' actionneurs, auxquels sont respectivement fixés les premier et deuxième composants et qui est prévu pour modifier différentiellement les longueurs d'onde de Bragg respectives des premier et deuxième composants, de manière à pouvoir à la fois accorder spectralement le dispositif et moduler l'amplitude du signal filtré.
Chaque actionneur peut comprendre un élément choisi parmi les transducteurs piézoélectriques fonctionnant en traction, les transducteurs piézoélectriques fonctionnant en compression, les transducteurs thermiques, les moyens de déformation mécanique et les éléments en alliages à mémoire de forme .
Les moyens de liaison optique peuvent comprendre un coupleur optique, muni d'au moins un isolateur optique, ou un circulateur optique.
Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif objet de l'invention comprend une pluralité d'ensembles de premier et deuxième composants, les premiers composants sont montés en série, les deuxièmes composants sont également montés en série et les deuxièmes bandes de filtrage correspondant respectivement aux deuxièmes composants sont espacées les uns des autres, pour permettre au signal optique d'être filtré par les ensembles qui en extraient ainsi uniquement les parties correspondant respectivement aux pics de transmission des deuxièmes composants .
Selon un autre mode de réalisation particulier, le dispositif objet de l'invention comprend une pluralité d'ensembles de premier et deuxième composants, les premiers composants sont montés en parallèle, les deuxièmes composants sont également montés en parallèle et les moyens de liaison optique comprennent des moyens de commutation optique prévus pour faire interagir successivement le signal optique avec chacun des ensembles pour extraire ainsi uniquement les parties de ce signal correspondant respectivement aux pics de transmission des deuxièmes composants .
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 montre la réponse impulsionnelle d'un extracteur, donnée en transmission, la figure 2 montre l'allure du coefficient de réflexion spectrale d'un réseau de Bragg, - la figure 3 montre la réponse spectrale, donnée en réflexion, d'un réseau de Bragg apodisé par une fonction sinusoïdale,
- la figure 4 montre un spectre théorique d'un réseau de Bragg à saut de phase (« phase-shifted
Bragg grating ») , analysé en transmission,
- la figure 5 est une vue schématique d'un circulateur à trois voies,
- la figure 6 est une vue schématique d'un isolateur optique,
- la figure 7 est une vue schématique d'un coupleur optique à fibres,
- la figure 8 illustre schématiquement un actionneur permettant de faire varier la contrainte et/ou la température appliquées à un réseau de Bragg, les figures 9 et 10 sont des vues schématiques d'extracteurs conformes à l'invention,
- la figure 11 montre le spectre de sortie d'un extracteur conforme à l'invention, en dB, en fonction de l'écart à la longueur d'onde,
- la figure 12 illustre la modification de la forme de la réponse spectrale de l'extracteur en fonction de différents réseaux à saut de phase (« phase-shifted gratings ») , - la figure 13 illustre schématiquement un assemblage d'un coupleur optique et d'un isolateur optique, apte à remplacer un circulateur,
- la figure 14 est une vue schématique d'un extracteur conforme à l'invention, qui est modulable en puissance, - la figure 15 montre la réponse spectrale d'un extracteur conforme à l'invention, qui est modulable en puissance,
- la figure 16 est une vue schématique d'un dispositif conforme à l'invention, utilisant des extracteurs montés en série, et
- la figure 17 est une vue schématique d'un autre dispositif conforme à l'invention, utilisant des extracteurs montés en parallèle.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L'invention concerne un extracteur spectral à grande finesse qui est un dispositif 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 guide optique de sortie. Le signal optique, ayant un spectre donné, est envoyé au dispositif par l'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 &r (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 [λj.; 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 α(t), l'équation (1) devient :
S' ( λ,t)=s(λ)χετ(λ,t)≈s(λe)χα(t) (3) 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' accordabilite et la moduler en puissance suivant ses besoins.
Un dispositif de filtrage optique, ou extracteur, conforme à l'invention, peut être caractérisé par les paramètres suivants : δλ : largeur de la bande de filtrage pi : perte à l'insertion τ : taux de réjection
Si ce dispositif est en outre accordable en longueur d'onde, d'autres paramètres s'ajoutent : ελ : incrément minimum Δλ : intervalle de balayage (plage spectrale) sp : fréquence de modulation spectrale Et si le dispositif est modulable en puissance, on ajoute les paramètres suivants : /pu : fréquence de modulation en puissance
Ωmax : amplitude de modulation
La bande de filtrage caractérise la finesse avec laquelle l'extracteur filtre le signal d'entrée.
Sur la figure 1 on a représenté la réponse impulsionnelle de ce dispositif. Il s'agit en fait de la fonction de transmission T=ετ(λ) de l'extracteur. La largeur δλ de la bande de filtrage est mesurée à mi- hauteur du pic dont la hauteur est notée Ti et qui est centré sur λe. En reprenant l'équation (1), la perte à l'insertion pA (supposée constante quel que soit λe) est définie en dB par la relation :
Le taux de réjection τr (exprimé en dB) rend compte de l'isolement du pic dans la bande de filtrage en termes de puissance. Il est défini, pour une distance donnée Δλr par rapport à la longueur d'onde d'extraction (voir figure 1) par la relation :
L'incrément minimum ελ est un paramètre propre à l'extracteur accordable. Il s'agit de l'incrément spectral séparant deux positions successives de la longueur d'onde.
L'intervalle de balayage Δλ concerne l'extracteur accordable. Il caractérise la bande spectrale séparant la plus petite longueur d'onde de la plus grande longueur d'onde que l'on peut extraire sur l'ensemble du spectre par le dispositif.
La fréquence de modulation spectrale /sp est la fréquence à laquelle on peut accorder la longueur d'onde sur l'ensemble de la plage spectrale Δλ .
La fréquence de modulation en puissance concerne l'extracteur à puissance modulable dans le cas où la modulation se fait suivant une période temporelle. La fréquence /max est la fréquence de modulation en puissance qui peut être appliquée à 1 ' extracteur. Comme précédemment, l'amplitude de modulation en puissance est la valeur de l'amplitude de modulation maximale Ωmax qui peut être appliquée au dispositif .
Nous avons décrit rapidement le principe du dispositif objet de l'invention. Dans ce qui suit, nous présentons des composants qui sont utilisables pour réaliser divers extracteurs conformes à l'invention. 1) Réseaux de Bragg Un réseau de Bragg est une structure diffractante réalisée longitudinalement dans une fibre optique par une modification périodique de l'indice de réfraction du cœur (« core ») de la fibre. Cet indice peut alors être représenté par la relation suivante, qui fait intervenir le pas Λ de la modulation résultante :
n(z)
L'amplitude de modulation d'indice et la variation d'indice moyen, respectivement notées Δnmod et
Δnmoy , peuvent dépendre de z. Dans le cas d'un réseau de Bragg classique, ces deux paramètres sont des fonctions rectangles, définies sur la longueur L du réseau.
Une onde guidée qui traverse le réseau est diffractée à condition que sa fréquence soit accordée sur la fréquence de résonance du réseau. On décrit généralement cette fréquence par la longueur d'onde de Bragg, autour de laquelle a lieu le phénomène de filtrage. Cette longueur d'onde, notée λB, est donnée par la relation suivante, faisant intervenir l'indice effectif neff du mode guidé : λB = 2"e Λ ( )
La figure 2 donne l'allure typique du coefficient de réflexion spectrale R d'un réseau de
Bragg (réseau de longueur 4mm avec Δnmod = 4xl0~4), en fonction de l'écart de longueur d'onde Δλ (nm) par rapport à l'abscisse du maximum de R. Réseau de Bragg apodisé Comme on le remarque sur la figure 2, le spectre d'un réseau uniforme présente d'importants lobes secondaires. La réalisation d'un réseau apodisé se fonde sur le principe de la réduction de ces lobes.
Le filtrage s'effectue alors uniquement dans la bande centrale. Nous verrons dans la suite tout l'intérêt d'un tel composant. Pour réaliser un réseau apodisé, il faut
"adoucir" son enveloppe de modulation d'indice, de manière à en éliminer le maximum de discontinuités.
Contrairement au réseau uniforme, Δnmod (z) n'est plus une fonction rectangle mais une fonction symétrique par rapport au centre du réseau, à décroissance progressive vers les bords de celui-ci.
Typiquement Δnraod (z) est une fonction gaussienne (formule (8) ) ou sinusoïdale (formule (9) ) :
Δn (s; An* moà (z) = Anmoά x - - ( 9 )
La figure 3 montre l'allure typique du coefficient de réflexion spectrale R d'un réseau Bragg apodisé par une fonction sinusoïdale, en fonction de l'écart de longueur d'onde Δλ (nm) par rapport à l'abscisse du maximum de R.
Les paramètres du réseau sont : longueur
L=10mm, amplitude de modulation d'indice Δnmod = 5x10~4.
On remarque clairement l'absence des lobes secondaires en représentation linéaire.
Au sujet des réseaux apodisés, on peut se reporter au document suivant :
[2] 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.
Réseau de Bragg à saut de phase
Un réseau de Bragg à saut de phase est caractérisé par la présence d'une double résonance. La première est la résonance classique du réseau de Bragg, qui crée la bande de filtrage dont il a été précédemment question.
La seconde résonance provient d'un changement ponctuel de la phase du signal guidé lorsqu'il traverse le réseau. Ce second phénomène peut provoquer une contre-résonance à la longueur d'onde de
Bragg .
La bande de filtrage présente alors un pic fin de transmission au milieu de la bande de réflexion comme le montre la figure 4 sur laquelle on a représenté l'allure typique du coefficient de transmission spectrale T d'un réseau de Bragg à saut de phase (L=4mm, Δnmod = 5x10"4 ) en fonction de l'écart de longueur d'onde Δλ (nm) par rapport à l'abscisse du pic central du spectre de ce réseau.
La réalisation d'un réseau de Bragg à saut de phase se fait généralement par l'introduction d'un saut de phase de π au milieu du réseau. 2) 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 5 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 est généralement obtenue à 20dB ou 30dB près. 3) Isolateur optique Un isolateur optique est un. composant fibre qui permet le passage d'une onde guidée dans une direction unique d'une voie vl vers une voie v2 (isolation de 35dB à 40dB de v2 vers vl) . Le schéma d'un exemple d'isolateur optique 4 est représenté sur la figure 6. 4) Coupleur optique
Un exemple de coupleur optique est illustré par la figure 7. Ce coupleur 6 comporte quatre voies vl, v2, v'I et v'2. Il permet de répartir un signal d'entrée vers deux voies de sortie de manière symétrique .
Ainsi un signal incident sur la voie vl est réparti dans les voies v'I et v'2 avec des coefficients de couplage qui valent généralement 0,5 et 0,5. Un signal incident sur la voie v'I se répartit de manière identique dans les voies vl et v2.
5) Actionneur
L' accordabilite 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) :
ε = — (10)
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 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 ( 11 )
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 8 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, ou dispositifs de filtrage optiques, conformes à l'invention.
Un dispositif conforme à l'invention comprend 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) (12)
L'association entre ces deux réseaux de Bragg se fait par l'intermédiaire d'un composant optique qui peut être un circulateur ou un coupleur.
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 dispositif conforme à l'invention, dans une configuration RT, est schématiquement représenté sur la figure 9 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 un spectre du genre de celui de la figure 3, avec L=10mm et Δnmθd=4xl0"4, et rencontre le réseau à saut de phase défini par un spectre du genre de celui de la figure 4, avec Δφ=π, L=3mm et Δnmod=15xl0"4.
Si ces spectres 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 dispositif conforme à l'invention, utilisant cette configuration TR, est schématiquement représenté sur la figure 10 et utilise les mêmes composants que le dispositif de la figure 9, agencés comme on le voit sur la figure 10.
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 le dispositif de la figure 10.
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 dispositifs des figures 9 et 10 fonctionnent effectivement comme l'extracteur défini 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 donné (réseau à saut de phase : déphasage de π, longueur 3mm et Δnmθd=15xl0"4; réseau apodisé : apodisation sinus, longueur 10mm,
Δnmod=4xl0~4) , on a δλ peu différent de lOpm (à -3dB) , ε±≈O (pas de perte d'insertion) et un taux de réjection important puisque l'atténuation est de 35dB sur une bande de 0,4nm (on rappelle que la largeur à mi-hauteur de la réponse spectrale d'un réseau de Bragg
« classique » (de longueur millimétrique et de pas
(« pitch ») constant) vaut environ 200pm) .
On voit cela sur la figure 11 qui montre le spectre de sortie T d'un extracteur conforme à l'invention, 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 12 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 a une longueur de 4mm et un paramètre Δnm0d égal à 4xl0"4. Dans les dispositifs des figures 9 et 10, 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 13 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 13 correspondent respectivement aux voies v3 , v2 et vl de la figure 9 ou aux voies vl, v2 et v3 de la figure 10. Dans le cas de l'utilisation d'un coupleur pour la liaison optique, un second isolateur peut être utilisé en entrée ou sortie du composant afin d'améliorer son isolement.
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 conforme à l'invention est très simple, compte tenu de ce qui précède : si les deux réseaux de la figure 9 ou de la figure 10 sont fixés sur un même actionneur 8a, qui est lui-même fixé sur le support 22 et du genre de 1' actionneur 8 de la figure 8 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' accordabilite. 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 d' actionneur et des réseaux de Bragg choisis . Un dispositif conforme à 1 ' invention, formant un extracteur modulable en puissance, requiert une configuration différente de la précédente. Un exemple de ce dispositif est schématiquement représenté sur la figure 14. Ce dispositif de la figure 14 se déduit du dispositif de la figure 9 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 8 et commandé par des moyens 14b.
Dans l'exemple de la figure 14, le réseau 18a est ainsi fixé sur l' actionneur 8b, lui-même fixé sur le support 22.
L' accordabilite 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 15 où l'on voit la réponse spectrale du dispositif d'extraction modulable. 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 Δnmod=2xl0~4) pour différents décalages spectraux, à savoir Onm (I), 0,07nm (II) et 0,14nm (III) .
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 conforme à
1 ' invention 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 ' accordabilite 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 du dispositif de la figure 14, en fixant le réseau 20 sur un actionneur 8c du genre de l' actionneur 8 de la figure 8 et commandé par des moyens 14c, cet actionneur 8c étant lui-même fixé sur le support 22.
Pour certaines applications, il peut être intéressant de disposer de plusieurs extracteurs, accordés sur des longueurs d'onde différentes, sur une même fibre optique. Pour ce faire, dans les deux configurations RT et TR, il suffit d'associer les extracteurs en série avec un unique circulateur (ou un coupleur muni d'un isolateur) . La distance séparant les différentes longueurs d'onde d'extraction doit être suffisante, de l'ordre de 3nm à 5nm ou plus, pour que les spectres des réseaux à saut de phase ne se chevauchent pas .
Ceci est techniquement illustré par la figure 16 où un dispositif conforme à l'invention utilise trois extracteurs El, E2 , et E3 en série, dans la configuration RT.
Chaque extracteur El ou E2 ou E3 comprend un réseau apodisé 18χ ou 182 ou 183 ainsi qu'un réseau à saut de phase 20i ou 202 ou 203, ces deux réseaux étant montés sur un support 22ι ou 222 ou 223. Les réseaux 18ι, 182 et 183 (respectivement 20χ, 202 et 203) sont formés en série sur la même fibre optique 38 (respectivement 40) .
On utilise encore le circulateur 24 des figures 9 et 10, dont la voie v2 (respectivement v3) est connectée à une extrémité de la fibre 38 (respectivement 40) .
L'autre extrémité de la fibre 38 est pourvue d'un liquide adaptateur d'indice 42 et/ou clivée en biais.
On envoie encore le signal S à filtrer sur la voie vl du circulateur et le signal filtré s_ est disponible à l'autre extrémité de la fibre optique 40.
Dans cet exemple, les trois extracteurs sont respectivement accordés sur des longueurs d'onde d'extraction λel, λe2 et λe3.
L'homme du métier peut aisément transposer cet exemple, qui est en configuration RT, à un dispositif en configuration TR par analogie avec la figure 10.
De plus, comme précédemment, l'isolateur est remplaçable par un coupleur optique muni d'un isolateur optique.
Afin d'éviter le problème du chevauchement des réseaux, une association en parallèle des extracteurs est également possible. Elle requiert cependant l'utilisation de trois commutateurs optiques du genre 1 vers N, où N est le nombre d'extracteurs mis en parallèle. Ceci est schématiquement illustré par la figure 17 où un dispositif conforme à l'invention, de configuration RT, utilise : trois extracteurs qui sont montés en parallèle, sont respectivement accordés sur trois longueurs d'onde différentes λel, λe2 et λe3 et comprennent chacun un réseau apodisé 44ι ou 442 ou 443 ainsi qu'un réseau à saut de phase 46ι ou 462 ou 463,
- trois commutateurs optiques 48, 50 et 52, du genre 1 vers 3, et
- le circulateur 24.
Les réseaux apodisés sont fixés à un support 54 et les réseaux à sont de phase sont fixés à un support 56. La voie vl du circulateur reçoit le signal
S à filtrer.
La voie v2 (respectivement v3) est reliée à l'entrée du commutateur optique 48 (respectivement 50) .
Les trois réseaux apodisés sont respectivement reliés, d'un côté, aux trois sorties du commutateur 48 et, de l'autre côté, à trois milieux adaptateurs d'indice 58, 60 et 62 (et/ou les extrémités des fibres optiques sur lesquelles sont formés ces réseaux sont clivés en biais) . Les trois réseaux à saut de phase sont respectivement reliés, d'un côté, aux trois sorties du commutateur 50 et, de l'autre côté, aux trois entrées du commutateur 52. La sortie de ce dernier fournit le signal filtré s. Lorsqu'on utilise le dispositif de la figure 17, on commande les commutateurs 48 et 50 de manière à connecter les deux réseaux du même extracteur par l'intermédiaire du circulateur et l'on commande en outre le commutateur 52 de manière à récupérer la longueur d'onde ainsi filtrée. Dans l'exemple représenté, on récupère λβi en connectant l'un à l'autre les réseaux 44ι et 46ι.
L'homme du métier peut aisément transposer cet exemple, qui est en configuration RT, à un dispositif configuration TR par analogie avec la figure 10.
De plus, comme précédemment, l'isolateur est remplaçable par un coupleur optique muni d'un isolateur optique.
L'invention a de nombreuses applications : elle est utilisable non seulement dans le domaine des télécommunications optiques mais encore dans le domaine de l'instrumentation, pour fabriquer des capteurs à fibres optiques.
L'invention s'applique aussi à la fabrication d'un modulateur accordable en longueur d'onde pour une utilisation dans le domaine des télécommunications qui mettent en œuvre le DWDM ou multiplexage dense en longueur d'onde ("Dense Wavelength Division Multiplexing" ) . En outre, dans le domaine des capteurs à fibres, l'association d'un réseau apodisé et d'un réseau à saut de phase permet de constituer un capteur au même titre qu'un réseau de Bragg mais avec une grande sensibilité du fait de la très faible largeur de bande de la réponse spectrale. On donne ci-après diverses caractéristiques d'exemples de dispositifs conformes à l'invention. 1) Paramètre d'extraction
1.1) Largeur de la bande de filtrage Comme nous l'avons souligné précédemment, la bande de filtrage a une largeur δλ qui peut s'étendre de quelques picomètres à quelques dizaines de picomètres .
1.2) Pertes à l'insertion Les pertes à 1 ' insertion dépendent du type d'extracteur choisi et de la qualité du circulateur employé. Ce circulateur introduit des pertes typiques de 0,8dB d'une voie vers l'autre. Une valeur minimale de l,6dB (environ 31% de pertes) doit donc être attribuée au circulateur. Dans le cas de l'extracteur modulable l'association des deux réseaux peut entraîner jusqu'à 20% de pertes, d'où en tout 45% de pertes.
1.3) Taux d'extinction
Le taux d'extinction dépend des caractéristiques spectrales des réseaux utilisés. Ce taux peut évoluer notamment lors du balayage du réseau apodisé par rapport au saut de phase. Cependant une valeur typique théorique est τr~30dB à 0,2nm autour de λB . 2) Paramètres d1 accordabilité/modulation
Les paramètres liés aux propriétés d' accordabilite et de modulation des extracteurs sont reliés aux caractéristiques de l' actionneur (ou des actionneurs) utilisé (s). Dans ce qui suit, on considère de façon non exhaustive deux cas d'accord, à savoir un accord obtenu par un élément Peltier et un accord obtenu par un élément piézo-électrique . Des alliages à mémoire de forme peuvent aussi être utilisés, de même que tout système fondé sur la déformation d'un objet par exemple par courbure ou par flexion.
2.1) Accord en température
Le moyen généralement employé pour la transduction thermique est un élément Peltier. Un refroidisseur thermique à élément Peltier peut être considéré comme une pompe à chaleur.
Lorsque les thermocouples qui le constituent sont reliés à une source de courant continu, il engendre un transfert de chaleur de l'un de ses côtés vers l'autre. Une face se refroidit donc pendant que l'autre s'échauffe. Une variation de température ΔT est ainsi obtenue entre une face et l'autre. En inversant le courant, la répartition des températures s ' inverse aussi .
La variation de température ΔT reste cependant limitée. Une valeur typique maximale est égale à 70°C d'où une accordabilite Δλ égale à 0,8nm.
Des éléments Peltier sont disponibles auprès de la Société DLK.
Du fait de ses faibles capacités, l'élément Peltier est plus généralement utilisé pour stabiliser un montage en température. L ' accordabilite des réseaux utilise ainsi préférentiellement des transducteurs piézo-électriques, plus rapides que les transducteurs thermiques . 2.2) Accord en allongement Un transducteur piézo-électrique est formé à partir de matériaux céramiques qui ont des propriétés piézo-électriques : sous l'effet d'un champ électrique sa structure céramique se déforme. Un composant tel qu'une fibre optique, qui est fixé au transducteur, subit donc un allongement (ou une compression) accompagné d'une certaine force.
L'allongement relatif et la force appliqués sont liés, pour une tension donnée, par une relation linéaire qui est définie par deux points caractéristiques : la force de blocage Fb à une tension donnée, qui correspond à la force maximale développée par le transducteur piézo-électrique quand celui-ci est bloqué en allongement, et
- l'allongement maximum ΔLmax à une tension donnée, pour un transucteur piézo-électrique libre de toute contrainte.
Le transducteur piézo-électrique et la fibre optique étant reliés l'un à l'autre, il faut considérer les performances de l' actionneur en rapport avec les limitations de la fibre optique.
Cette fibre optique admet également une courbe d'évolution de son allongement en fonction de la force appliquée. Si ces deux grandeurs interviennent suivant le même axe (généralement l'axe de la fibre) on a la relation :
ΔL F ε=-
Exs où E et s sont respectivement le module d'Young et la section de la fibre. On en déduit : F=Exsxε.
A partir d'une limite fixée pour ε on peut donc trouver la limite correspondante pour F.
Les courbes relatives au transducteur piézo-électrique et à la fibre définissent ainsi un point de fonctionnement permettant de prédire 1 'accordabilite d'un réseau de Bragg. Le travail développé est maximum lorsque le point de fonctionnement correspond au point médian de la courbe du transducteur piézo-électrique.
Des transducteurs piézo-électriques sont disponibles auprès de la Société Piezo Systems, Inc.
Le module d'Young E de la silice vaut 7xl010 N/m . Une fibre optique monomode a généralement un rayon de 62,5μm et donc une section de l,23xl0"8m2. On obtient donc pour une telle fibre: ε=l, 16xlO"3xF
Cette relation est valable lorsque ε est inférieur ou égal à 104με, cette valeur représentant la limite de rupture généralement admise pour une fibre soumise à une élongation.
En conditionnant bien la fibre cette valeur peut être élevée à 2xl04με, voire plus pour les réseaux de Bragg de très bonne qualité. II convient de noter que, pour la compression, la limite est nettement supérieure et vaut environ 105με.
En revenant à la relation entre ε et F donnée ci -dessus, une force de plus de 8,59N ne peut donc être appliquée à la fibre. Cette limite d1 élongation de lOOOOμε (1% sur un réseau long de 10mm) correspond à une accordabilite d'environ 10nm, plage qui pourrait être étendue en conditionnant la fibre (en l'isolant notamment de l'humidité). Intervalle de balayage
Si l'on considère un réseau de 10mm de long, le critère du point médian requiert un transducteur piézo-électrique dont la force de blocage
Fb vaut environ 18N et l' élongation maximale 200μm (de tels transducteurs étant commercialement disponibles) . Il en résulte une amplitude Δλ comprise entre lOnm et 20nm pour l'intervalle de balayage.
L' actionneur qui vérifie les caractéristiques données ci-dessus a une résolution sub-nanométrique . Pour un réseau long de 10mm, cela donne une sensibilité εχ inférieure à l,2pm sur λB.
Fréquence de modulation
La fréquence de modulation dépend des autres caractéristiques du dispositif, surtout si une accordabilite doit être envisagée. La modulation de puissance nécessitant un accord spécial différentiel sur une faible plage (environ lOOpm) , /pu est très supérieur à /sp.
Dans le cas d'une simple modulation de puissance, des fréquences fpu de l'ordre de quelques kilohertz peuvent être proposées.
Contrôle du balayage
Afin de contrôler les contraintes engendrées par 1 ' actionneur, il faut lui adjoindre une jauge résistive ou capacitive. En effet, la réponse de la céramique piézo-électrique à un courant d'entrée n'est pas linéaire : elle est affectée par un phénomène d'hystérésis.
La plupart des mesures effectuées au moyen d'un dispositif conforme à l'invention le sont rapidement et à une température relativement stable.
Cependant, comme on l'a vu, ce dispositif est sensible à la température .
En conséquence, pour des mesures sur une longue période ou dans un environement thermiquement perturbé, il est préférable de placer ce dispositif dans une enceinte isotherme ou de le munir de moyens de régulation de température.
En outre on a considéré des exemples de l'invention dans lesquels le réseau de Bragg à saut de phase ne comprend qu'un seul saut de phase. Cependant, dans l'invention, on peut également utiliser un réseau de Bragg comportant plus d ' un saut de phase .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de filtrage optique, caractérisé en ce qu'il comprend : au moins un ensemble comportant des premier et deuxième composants, le premier composant (18, 18a, 18ι-182-183, 44x- 442- 443) étant un réseau de Bragg apodisé, utilisé en réflexion et ayant une première bande de filtrage, le deuxième composant
(20, 2θ!-202-203, 46χ-462-463) étant un réseau de Bragg à au moins un saut de phase, utilisé en transmission et ayant au moins une deuxième bande de filtrage et comprenant au moins un pic de transmission de grande finesse, la largeur à mi-hauteur de ce pic de transmission étant inférieure à lOOpm, la première bande de filtrage étant incluse dans la deuxième bande de filtrage, et
- des moyens de liaison optique (24, 32-34, 24-48-50-52) , les premier et deuxième composants de l'ensemble coopérant l'un avec l'autre et avec les moyens de liaison optique pour permettre à un signal optique (S), qui interagit avec l'un de ces premier et deuxième composants, d'interagir ensuite avec l'autre et d'être filtré par cet ensemble qui en extrait ainsi uniquement la partie correspondant au pic de transmission du deuxième composant.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'agencement relatif des moyens de liaison optique (24) et des premier et deuxième composants (18, 20) est prévu pour que le signal optique (S) interagisse d'abord avec le premier composant (18) puis avec le deuxième composant (20) .
3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'agencement relatif des moyens de liaison optique (24) et des premier et deuxième composants (18, 20) est prévu pour que le signal optique interagisse d'abord avec le deuxième composant (20) puis avec le premier composant (18) .
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un actionneur
(8a) , auquel sont fixés les premier et deuxième composants (18, 20) et qui est prévu pour modifier simultanément les longueurs d'onde de Bragg respectives de ces premier et deuxième composants, de manière à pouvoir accorder spectralement le dispositif.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un actionneur (8b) , auquel est fixé le premier composant (18a) et qui est prévu pour modifier la longueur d'onde de Bragg de ce premier composant, de manière à pouvoir moduler l'amplitude du signal filtré (s), fourni par le dispositif .
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un couple d' actionneurs (8b, 8c), auxquels sont respectivement fixés les premier et deuxième composants (18a, 20) et qui est prévu pour modifier différentiellement les longueurs d'onde de Bragg respectives des premier et deuxième composants, de manière à pouvoir à la fois accorder spectralement le dispositif et moduler l'amplitude du signal filtré (s).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel chaque actionneur (8a, 8b, 8c) comprend un élément choisi parmi les transducteurs piézoélectriques fonctionnant en traction, les transducteurs piézoélectriques fonctionnant en compression, les transducteurs thermiques, les moyens de déformation mécanique et les éléments en alliages à mémoire de forme.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les moyens de liaison optique comprennent un coupleur optique (32) muni d'au moins un isolateur optique (34) .
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les moyens de liaison optique comprennent un circulateur optique (24) .
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant une pluralité d'ensembles de premiers et deuxième composants (18ι-182- 183, 20ι- 202- 203) , dans lequel les premiers composants (18ι, 182, 183) sont montés en série, les deuxièmes composants (20ι, 202, 203) sont également montés en série et les deuxièmes bandes de filtrage correspondant respectivement aux deuxièmes composants sont espacées les unes des autres, pour permettre au signal optique (S) d'être filtré par les ensembles qui en extraient ainsi uniquement les parties correspondant respectivement aux pics de transmission des deuxièmes composants .
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant une pluralité d'ensembles de premier et deuxième composants (44].-442- 443, 46!-462-463) , dans lequel les premiers composants
(44χ, 442, 443) sont montés en parallèle, les deuxièmes composants (46x, 462, 463) sont également montés en parallèle et les moyens de liaison optique comprennent des moyens de commutation optique (48, 50, 52) prévus pour faire interagir successivement le signal optique
(S) avec chacun des ensembles pour extraire ainsi uniquement les parties de ce signal correspondant respectivement aux pics de transmission des deuxièmes composants .
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