WO1994010598A1 - Modulateur optique - Google Patents

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    • G02—OPTICS
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    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference

Definitions

  • the invention relates to an optical modulator making it possible to modulate a coherent brush of light by an optical signal.
  • an optical signal can be modulated by an electrical signal, for example a Pockels cell, or by a mechanical signal, such as a diaphragm or a tilting mirror.
  • an electrical signal for example a Pockels cell
  • a mechanical signal such as a diaphragm or a tilting mirror.
  • the object of the invention is to propose an opti ⁇ modulator, the modulating signal of which is also optical. According to the invention, this object is achieved by an optical modulator as defined in the main claim. As regards preferred features of an exemplary embodiment of this modulator, reference is made to the secondary claims.
  • Figure 1 shows in perspective the arrangement of the elements constituting the modulator according to the invention.
  • FIG. 2 shows two substrates of an optical cavity used in the detector according to FIG. 1.
  • FIG. 3 schematically shows how the three-dimensional interferometric networks are recorded on the substrates of the optical cavity.
  • the modulator according to FIG. 1 comprises a laser generator 1 which emits a coherent light brush 2 of a very reduced transverse dimension towards an optical cavity 3.
  • the nature of this optical cavity will be described below in more detail using FIG. 2.
  • the face of this cavity 3 which is opposite to that which is struck by the brush 2 is capable of being illuminated by a modulation source 4, whether it be a source of white light or a coherent source.
  • the optical cavity 3 comprises two holographic plates 8 and 9, each formed by a glass substrate which carries on one side a photographic emulsion on which a three-dimensional interferometric network has previously been recorded.
  • a photographic emulsion on which a three-dimensional interferometric network has previously been recorded such as for example a so-called holographic lens.
  • the two recordings are identical.
  • the emulsions are for one of the plates 8 arranged on the opposite face of the other plate 9, while for this other plate 9, the emulsion is disposed on the side opposite to the first plate 8.
  • the two plates have a thickness of the order 1 to 4 mm and a rectangular or square external shape, one side of which measures between 10 and 40 cm.
  • the two plates have been shown at a mutual distance, to make the arrangement of the emulsions clearer, but in reality the plates are applied one to the other, leaving only very little air between the two substrates. This small amount of air defines, with the plates, the actual optical cavity.
  • FIG. 3 schematically shows how the holographic lenses are recorded on a substrate 15 carrying a photoemulsion.
  • a laser 11 sends a coherent beam, if necessary by a mirror 12, onto a beam splitter 13 constituted by a semi-reflecting mirror.
  • One of the beams is directly directed via a spatial filter 14 on the substrate 15, while the other is returned by a second mirror 12 'to a second spatial filter 14' to reach the substrate 15 from another angle of incidence.
  • the spherical waves of the divergent beams 16 and 16 ′ create in cooperation the three-dimensional network in the emulsion on the substrate 15 which must then be developed and fixed.
  • the two plates 8 and 9 of FIG. 2 are prepared in the same way and are then joined together to constitute the optical cavity 3 of FIG. 1.
  • the interference fringes assume a new constant configuration, and if the modulating source is eliminated completely, the fringes resume the initial configuration.
  • the modulator according to the invention can receive several beams such as the beam 2 which are then modulated in synchronism, but with any phase ratios.
  • the modulator is extremely fast and makes it possible, for example, to react on a pulse emitted from the source 4 having a duration of 12 nanose- condes.
  • an all-optical modulator a light receiving member with low geometric extent which receives either light reflected by the optical cavity, or nothing, depending on the distribution of the fringes on screen 7.
  • the modulator is then a binary modulator (bistable case). But it is also possible to exploit the whole range of intensities inciting on the screen by continuously varying the intensity of the source 4 (multistable case).
  • the modulator according to the invention can find applications in the field of optical computers as a binary or multi-stable switch and in optical telecommunications for processing a signal.

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Abstract

L'invention se réfère à un modulateur optique permettant de moduler un pinceau cohérent de lumière (2) par un signal optique (4). Selon l'invention, il comporte une cavité optique (3) composée de deux substrats en verre superposés (8, 9), chacun portant un réseau interférométrique tridimensionnel, ledit pinceau cohérent (2) étant susceptible d'être dirigé sur une première face de ladite cavité (3), alors que ledit signal optique de modulation (4) est dirigé contre cette face ou la face opposée de cette cavité, le signal de sortie de ce modulateur étant constitué par ledit pinceau après réflexion sur ladite cavité optique (3).

Description

Modulateur optique
L'invention se réfère à un modulateur optique permet- tant de moduler un pinceau cohérent de lumière par un signal optique.
Il est connu qu'on peut moduler un signal optique par un signal électrique, par exemple une cellule de Pockels, ou par un signal mécanique, tel qu'un diaphragme ou un miroir basculant. La lumière ayant une importance croissante en télé¬ communication et dans le traitement de données, on cherche des méthodes permettant de moduler un signal optique par un autre signal optique. Or, les résultats obtenus par des cristaux photoréfractifs au niveau du laboratoire restent à être confirmés dans la pratique.
L'invention a pour but de proposer un modulateur opti¬ que, dont le signal modulant est également optique. Selon 1'invention ce but est atteint par un modulateur optique tel que défini dans la revendication principale. En ce qui concerne des caractéristiques préférées d'un exemple de réalisation de ce modulateur, référence est faite aux revendications secondaires.
L'invention sera décrite ci-après plus en détail à l'aide de trois figures. La figure 1 montre en perspective la disposition des éléments constituant le modulateur selon l'invention.
La figure 2 montre deux substrats d'une cavité optique utilisés dans le détecteur selon la figure 1.
La figure 3 montre schématiquement comment les réseaux interférométriques tridimensionnels sont enregistrés sur les substrats de la cavité optique.
Le modulateur selon la figure 1 comporte un générateur laser 1 qui émet un pinceau cohérent de lumière 2 d'une dimen¬ sion transversale très réduite vers une cavité optique 3. La nature de cette cavité optique sera décrite ci-après plus en détail à l'aide de la figure 2. La face de cette cavité 3 qui est opposée à celle qui est frappée par le pinceau 2 est sus¬ ceptible d'être illuminée par une source 4 de modulation, qu'elle soit une source de lumière blanche ou une source cohé- rente.
Comme on le voit sur la figure 2, la cavité optique 3 comporte deux plaques holographiques 8 et 9, chacune consti¬ tuée par un substrat en verre qui porte sur une face une émul- sion photographique sur laquelle on a préalablement enregistré un réseau interférométrique tridimensionnel tel que par exem¬ ple une soi-disante lentille holographique. Les deux enregis¬ trements sont identiques. Les émulsions sont pour l'une des plaques 8 disposées sur la face en regard de l'autre plaque 9, alors que pour cette autre plaque 9, l'émulsion est disposée du côté opposé à la première plaque 8. Les deux plaques ont une épaisseur de 1 'ordre 1 à 4 mm et une forme extérieure rectangulaire ou carrée, dont un côté mesure entre 10 et 40 cm. Sur la figure 2, les deux plaques ont été représentées à distance mutuelle, pour rendre plus clair la disposition des émulsions, mais en réalité les plaques sont apppliquées l'une sur 1 'autre en ne laissant subsister que très peu d'air entre les deux substrats. Cette faible quantité d'air définit, avec les plaques, la cavité optique proprement dite.
La .figure 3 montre schématiquement comment les lentil- les holographiques sont enregistrées sur un substrat 15 por¬ tant une photoémulsion. Un laser 11 envoie un faisceau cohé¬ rent, le cas échéant par un miroir 12, sur un séparateur de faisceaux 13 constitué par un miroir semi-réfléchissant. Un des faisceaux est directement dirigé par l'intermédiaire d'un filtre spatial 14 sur le substrat 15, alors que l'autre est renvoyé par un second miroir 12 ' vers un second filtre spatial 14' pour atteindre le substrat 15 selon un autre angle d'inci¬ dence. Les ondes sphériques des faisceaux divergents 16 et 16' créent en coopération le réseau tridimensionnel dans l'émul- sion sur le substrat 15 qu'il faut alors développer et fixer. Les deux plaques 8 et 9 de la figure 2 sont préparés de la même façon et sont alors réunis pour constituer la cavité optique 3 de la figure 1.
Lorsqu'on envoie le pinceau 2 sur la cavité optique, on crée localement un micro-réseau de franges d'interférence sur la couche d'air qui se trouve entre les deux plaques, franges qu'on peut faire visualiser par réflexion de la lu¬ mière du laser 1 de la cavité 3 sur un écran 7. En appliquant alors un signal modulant par la source 4 sur le dos de la dite cavité 3, qu'il soit en lumière cohérente ou blanche, les deux plaques se mettent en micro-mouvement (par effet de la pres¬ sion de radiation ou de l'effet photothermique ou un mélange des deux) et ils changent l'épaisseur du film d'air. Ceci correspond à un changement de l'indice de réfraction, et donc les franges d'interférence se mettent en mouvement. Ce mouve¬ ment des franges d'interférence est linéaire par rapport aux signaux appliqués. En considérant isolément une frange 5 sur l'écran qui s'établit en absence de lumière de la source 4, cette frange se déforme et se déplace vers l'endroit 6, lors- qu'on applique une certaine intensité de lumière par la source 4.
Chaque fois qu'on stabilise l'intensité du signal optique de la source 4, les franges d'interférence prennent une nouvelle configuration constante, et si on élimine la source modulante complètement, les franges reprennent la con¬ figuration initiale.
La sensibilité du système accroît avec les dimensions linéaires de la cavité optique. Ce résultat a été vérifié avec des supports rectangulaires dont un côté mesure entre 10 et 40 cm.
En variante, il est possible de diriger la lumière de modulation de la source 4 sur la même face de la cavité opti¬ que 3 que le faisceau 2. En outre, le modulateur selon l'in¬ vention peut recevoir simultanément plusieurs faisceaux tels que le faisceau 2 qui sont alors modulés en synchronisme, mais avec des rapports de phase quelconques.
Malgré la grande taille de cette cavité, le modulateur est extrêmement rapide et permet par exemple de réagir sur une impulsion émise de la source 4 ayant une durée de 12 nanose- condes.
A la place de l'écran, on prévoit dans un modulateur tout optique un organe de réception de lumière à faible éten¬ due géométrique qui reçoit soit de la lumière réfléchie par la cavité optique, soit rien, en fonction de la répartition des franges sur l'écran 7. Dans ce cas, le modulateur est alors un modulateur binaire (cas bistable). Mais il est également pos¬ sible d'exploiter toute la gamme des intensités incidant sur 1'écran en faisant varier en continu 1'intensité de la source 4 (cas multistable). Le modulateur selon l'invention peut trouver des ap¬ plications dans le domaine des ordinateurs optiques comme commutateur binaire ou multi-stable et dans les télécommunica¬ tions optiques pour traiter un signal.

Claims

REVENDICATIONS
1. Modulateur optique permettant de moduler un pinceau cohé¬ rent de lumière (2) par un signal optique (4), caractérisé en ce qu'il comporte une cavité optique (3) composée de deux substrats en verre superposés (8, 9), chacun portant un réseau interférométrique tridimensionnel, ledit pinceau cohérent (2) étant susceptible d'être dirigé sur une première face de la¬ dite cavité (3), alors que ledit signal optique de modulation (4) est dirigé contre cette première face ou la face opposée de cette cavité, le signal de sortie de ce modulateur étant constitué par ledit pinceau après réflexion sur ladite cavité optique (3).
2. Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits réseaux interférométriques sont identiques et sont inscrits dans des émulsions photographiques sur une face res¬ pective de chaque substrat (8, 9) tel que l'émulsion d'un substrat est sur sa face en regard de 1'autre substrat et l'émulsion de l'autre substrat est sur sa face opposée.
3. Modulateur selon 1'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque réseau interférométrique tridi¬ mensionnel•est constitué par une lentille holographique.
4. Modulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pinceau réfléchi est reçu sur une diode ou un photomultiplicateur.
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