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WO2002093118A2 - Caracterisation d'impulsions courtes faible puissance - Google Patents

Caracterisation d'impulsions courtes faible puissance Download PDF

Info

Publication number
WO2002093118A2
WO2002093118A2 PCT/FR2002/001610 FR0201610W WO02093118A2 WO 2002093118 A2 WO2002093118 A2 WO 2002093118A2 FR 0201610 W FR0201610 W FR 0201610W WO 02093118 A2 WO02093118 A2 WO 02093118A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
pulses
signal
pulse
medium
Prior art date
Application number
PCT/FR2002/001610
Other languages
English (en)
Other versions
WO2002093118A3 (fr
Inventor
Pierre-Ambroise Lacourt
Marc Hanna
Henri Porte
John Dudley
Original Assignee
France Telecom
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 France Telecom filed Critical France Telecom
Publication of WO2002093118A2 publication Critical patent/WO2002093118A2/fr
Publication of WO2002093118A3 publication Critical patent/WO2002093118A3/fr

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F13/00—Apparatus for measuring unknown time intervals by means not provided for in groups G04F5/00 - G04F10/00
    • G04F13/02—Apparatus for measuring unknown time intervals by means not provided for in groups G04F5/00 - G04F10/00 using optical means
    • G04F13/026—Measuring duration of ultra-short light pulses, e.g. in the pico-second range; particular detecting devices therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains

Definitions

  • the invention relates to a characterization process, in particular in phase and instantaneous frequency, of light pulses as well as devices allowing the implementation of such a characterization process. More particularly, the invention relates to the characterization of low power picosecond and sub-picosecond light pulses.
  • detectors for characterizing light pulses of durations of less than 100 picoseconds (ps) are only sensitive to the light intensity of the pulses. They do not make it possible to obtain information on the phase of the pulse and / or its instantaneous frequency.
  • FROG Resolved Optical Gating
  • an auto correlation is made between said pulse and a light pulse which is identical to it, but which is delayed relative to it.
  • the trace E S j g ( ⁇ , ⁇ ) obtained by spectral analysis is a function of two variables characteristic of the pulse to be studied - ⁇ is the pulsation of the light signal whose trace is measured, ⁇ is the delay introduced between the two impulses.
  • the trace is processed by an appropriate algorithm known per se in order to deduce therefrom the phase and the amplitude of the pulse as a function of time.
  • the deconvolution process is an iterative algorithm which, starting from an estimation of the test field, compares it with the experimental FROG trace and makes corrections on this test field to obtain the desired solution. At each step, an error function, which reflects the difference between theoretical and experimental trace, is calculated. It makes it possible to evaluate the degree of convergence towards the solution of the algorithm.
  • a detailed description of the methods for correcting the test field is given in the document US Pat. No. 5,530,544. Thanks to the deconvolution, information on the shape of the initial pulse can be obtained. In particular, its instantaneous frequency characterization is obtained.
  • the trace E sig (w, ⁇ ) is obtained by multiplying the initial light signal by a time optical gate, then by analyzing the resulting spectrum.
  • S ( ⁇ , ⁇ ) is the intensity of the spectrum resulting from the correlation; g (t) is the optical field of the door considered; E (t) is the optical field of the pulse to be characterized; ⁇ is the light pulsation; ⁇ is the delay between the two pulses.
  • the time gate g (t) can take any form, and its duration must be less than that of the pulse.
  • the FROG technique comprises two stages.
  • the two delayed pulses are polarized at 45 °, one of the other and incident on a non-linear medium of order three.
  • the birefringence induced by one field on the other modifies the state of polarization, and the intensity detected after a polarizer is proportional to the correlation function sought.
  • the two-dimensional trace is obtained by performing a spectral analysis of the detected field.
  • variants use the generation of second or third harmonic. Auto-correlation is carried out as previously described, then the spectrum is analyzed at the doubled or tripled frequency.
  • a variant is based on the non-linear generation of index networks. Depending on the geometry considered, two or three replicas of the initial pulse are incident on a non-linear medium of order three, and create a system of fringes. By nonlinear effect, this system induces a diffraction grating, and the trace is obtained by spectral analysis of the diffracted order.
  • a last variant exploits the effect of cross-phase modulation in a fiber. The two orthogonally polarized pulses are injected into a fiber, and the resulting phase modulation results in a characteristic deformation of the spectrum.
  • Non-linearity results in a non-linear phase shift.
  • This method has certain drawbacks.
  • the pulses to be characterized propagate in the same direction along the fiber.
  • the nonlinear effect does not perform frequency conversion but only a phase shift.
  • the deconvolution stage is then more problematic and requires more complicated and less efficient algorithms than current algorithms.
  • the invention proposes to overcome these drawbacks.
  • the invention aims to make possible the complete characterization of short picosecond and sub-picosecond pulses of low power - whose peak power does not exceed a few milliwatts.
  • the invention aims to increase the sensitivity of existing characterization methods, in particular the FROG method.
  • Another object of the invention is to ensure great flexibility of use thanks to the use of an optical fiber which, by mixing with four waves makes it possible to obtain a detectable signal despite the low non-linearity of the material.
  • a third continuous optical field is added to the two pulse optical fields to be characterized.
  • the goal is to carry out, in any nonlinear medium of order at least equal to three, a frequency conversion of the signal FROG.
  • Order three or higher nonlinearity is required. Indeed, the method involves at least two impulse fields and a continuous field, plus the field generated by mixing frequencies. A non-linearity of order N being able to make interact only at most N + 1 fields, N will have here to be higher or equal to three.
  • the invention provides a method according to which a light field consisting of two delayed replicas of one or more source (s) to be characterized is generated, then injected into an optical fiber where it propagates jointly with a continuous field at an optical frequency different from that of the first field (s).
  • the resulting non-linear interaction in the measurement fiber gives rise to a light field at a distinct frequency, the spectral analysis of which, using known algorithms, makes it possible to find the complex amplitude of the original pulse, without a priori knowledge of the form of the impulse is required.
  • the invention proposes a method for characterizing at least one light pulse according to which: - at least one other light pulse is generated;
  • the signal from the combination of the two light pulses and the continuous signal is propagated in a medium having a nonlinear interaction coefficient of order three or higher;
  • the spectral analysis of said light signal is carried out after its propagation in the non-linear medium in order to derive information therefrom on the frequency and / or the phase and / or the amplitude of the light pulse which one seeks to characterize.
  • the invention is advantageously supplemented by the following characteristics, taken alone or in any one of their technically possible combination: - the delay is varied around an average value and in that the trace at the output of the non-linear medium is measured depending on this delay;
  • - information is obtained on the frequency and / or the phase and / or the amplitude of the light pulse that one seeks to characterize by performing the deconvolution of the trace resulting from the spectral analysis; - to generate at least one other light pulse, we double the pulse that we are trying to characterize;
  • the light pulses are generated by different sources.
  • the invention also relates to a device for implementing the method according to the invention.
  • the device according to the invention comprises means for implementing the method. It is advantageously supplemented by the following characteristics, taken alone or in any of their technically possible combinations:
  • the non-linear medium comprises an optical fiber;
  • the non-linear medium comprises an optical fiber with offset dispersion;
  • the non-linear medium includes a loop mirror.
  • the continuous light source comprises a laser diode with a distributed Bragg grating
  • the continuous light source includes a tunable laser.
  • FIG. 1 represents a block diagram of a device for characterization by four-wave mixing according to the invention
  • - Figure 2 schematically shows a possible configuration of the spectral power as a function of the frequency in the non-degenerate case
  • - Figure 3 schematically shows a possible configuration of the spectral power as a function of the frequency in the degenerate case
  • - Figure 4 is a schematic representation of a characterization device according to the invention in the degenerate case;
  • - Figure 5 shows the spectral intensity measured at the device output as a function of the wavelength;
  • FIG. 7 shows a device according to the invention comprising a non-linear loop mirror, degenerate case
  • FIG. 8 shows a device diagram according to the invention in the non-degenerate case.
  • FIG. 1 The block diagram of the device according to the invention is shown in FIG. 1.
  • the general device according to the invention comprises two optical paths 101 and 102 originating from two light sources 1 and 2 coupled at 5 before being analyzed spectrally.
  • it comprises two pulse sources 1 and 2 as well as a variable delay generator 3 which is connected at the output of the pulse source 2.
  • the delay generator 3 is connected to means 4 making it possible to vary the delay around an average position.
  • a coupler 5 allows the delayed light signal to be combined with the light signal from source 1.
  • Another coupler 7 makes it possible to combine the signal from the coupler 5 with a signal from a continuous light source 6.
  • the signal from the coupler 7 propagates in a non-linear medium 8 before being received by a spectral analyzer 9.
  • the elements of the device have the following characteristics. - the pulse source 1 emits a light signal E- ⁇ (t);
  • the pulse source 2 emits a light signal E 2 (t);
  • the generator 3 delays the light signal Ez ⁇ t) by a variable delay noted ⁇ ;
  • the non-linear medium 8 can be an optical fiber.
  • a 2 and ⁇ 2 correspond respectively to the optical field of the source 2, to its amplitude as a function of time and to its pulsation;
  • a cw and cocw correspond respectively to the optical field of the continuous source, to its amplitude as a function of time and to its pulsation;
  • phase tuning Assuming that Where E- (t, z) is the electric field,
  • Ai (t, z) is the slowly variable envelope of the field referenced by i, t is the time variable, z is a space variable, oo * is the pulsation, and with k * is the wave vector;
  • D is a degeneration factor
  • the propagation medium is dispersive, and ⁇ k is not zero.
  • the energy then periodically flows back into the pump, which prevents the idler field from growing.
  • phase agreement consists of placing oneself in the conditions where ⁇ k is zero.
  • Ai, Ai, A 2 represent the amplitudes of the converted fields, from source 1, from source 2 respectively;
  • Ac W represents the combined amplitude of the field of the continuous source.
  • This function corresponds to the intensity of the spectrogram sought.
  • the spectrum measured at the output of the device is similar to that shown in FIG. 2.
  • the configuration shown is not unique. Any permutation of the fields is possible. In practice this means that the system can be modified according to the wavelengths of the available sources.
  • the mixture is said to be degenerate and gives a result similar to that obtained using the generation of second harmonic.
  • Ci intensity coefficients
  • the oscillating components are carriers of information, they nevertheless constitute a hindrance in the measurement process because they impose an accuracy and an interferometric resolution of the system.
  • the baseband component varies slowly with ⁇ , while the oscillating components vary quickly. It is then possible to easily distinguish the relevant data.
  • the first condition is solved by using one of the spectral arrangements of Figure 2.
  • the second is more difficult to obtain, and depends to a large extent on the material in which the mixing takes place.
  • Optical fibers also have the property of having a wavelength, fixed by construction, where the dispersion is canceled out. This wavelength is equal to approximately 1.3 ⁇ m for so-called standard fibers, or 1.55 ⁇ m for so-called offset dispersion fibers. We can demonstrate that in the vicinity of this wavelength, called zero dispersion, the phase matching can be achieved in the two configurations shown in Figure 2. Indeed, we pose
  • ⁇ is the phase mismatch between the light signals
  • ⁇ , ⁇ 2 , ⁇ c w, and ⁇ i are the respective phases of the light signals
  • ⁇ represents the wavelength of the light signal
  • f is the frequency of the light signal
  • f 0 is the frequency of zero dispersion
  • D is the group time dispersion in ps / nm / km
  • D c the slope of this dispersion in ps / nm 2 / km
  • c is the speed of the signal in the middle.
  • phase mismatch is canceled out when the spectrum is symmetrical with respect to the dispersion zero, this corresponding to the phase tuning sought.
  • the choice of a degenerate or non-degenerate four-wave mixing configuration is based on several criteria.
  • phase matching is achieved over a large range when f- / and f 2 are located on either side of the frequency of the dispersion zero. This allows good tunability and wide bandwidth,
  • the pulse sources must be stable and have multiple repetition rates from each other.
  • the distortions of the pulse to be characterized due to dispersion and cross-phase modulation are less than in the non-degenerate case, which allows the use of longer lengths of fiber.
  • the degenerate configuration has the following drawbacks, however: - the pulse must be centered around the wavelength of the fiber dispersion zero so that the phase tuning condition is verified.
  • FWM Frequency Division Multiple Access
  • the light signals from these two sources propagate in separate optical branches 101 and 102 before combining in a coupler 10.
  • the signal resulting from the combination propagates in a non-linear medium 11 connected at the output of the coupler 10. It is analyzed by a spectrum analyzer 12.
  • the pulse source 1 is a distributed feedback laser diode (DFB) designed for fast modulation (10 Gb / s). It is controlled by signal generator 14.
  • the pilot signal is for example sinusoidal and of high amplitude at 1 GHz.
  • the duration of the pulses thus created is evaluated at less than 20 ps for a spectral width at -20 dB of 0.8 nm.
  • the average power at the output of diode 1 is -3 dBm.
  • the emission wavelength is 1556.5 nm with 1 nm of tunability by thermal effect.
  • Continuous source 2 is a distributed Bragg grating laser diode (DBR), emitting up to 1 mW between 1545 and 1555 nm. It has a line width less than 100 MHz.
  • DBR distributed Bragg grating laser diode
  • a fiber polarization controller 51 is connected at the output of source 1. It adjusts the polarization of the light pulse from 1 in order to obtain the best possible conversion efficiency.
  • the pulse enters an interferometer of
  • Michelson 90 It has two microscope objectives 61 and 62, a separator cube 7 and two mirrors 81 and 82.
  • the mirror 81 is translatable over a distance of 16 mm for example.
  • the mirror 82 is equipped with a piezoelectric cylinder 9 subjected to a sinusoidal voltage.
  • the light signal at the output of the objective 62 is amplified by an optical amplifier with erbium-doped fiber 31.
  • the amplified signal is then filtered by the filter 41 in order to reduce the spontaneous emission noise.
  • the continuous light signal coming from source 2 is amplified by an optical amplifier with fiber doped with erbium 32.
  • the polarization of the amplified and filtered signal is adjusted by a fiber polarization controller 52 in order to obtain the best possible conversion efficiency.
  • a standard coupler 10 combines the light signals from the interferometer - optical path 101 - and from the continuous source - optical path 102.
  • the field from the combination is injected into a staggered dispersion fiber 11 whose parameters are designed to obtain a dispersion zero at a specific wavelength (1557 nm for example).
  • the field leaving the fiber 11 is analyzed on the spectrum analyzer 12.
  • Processing means 13, such as a computer for example, make it possible to collect the data via an IEEE interface (- 488 GPIB for example) and to process them. This interface makes it possible to connect several devices to a computer in order to control it remotely.
  • FIG. 5 The results obtained on the means 13 are shown in FIG. 5.
  • the spectrum at the output of the device shows the existence of a field converted at 1560 nm.
  • FIG. 6 represents the two-dimensional trace measured.
  • FIG. 7 A second possible embodiment of a device for characterizing short pulses by the degenerate four-wave mixture is shown in FIG. 7. It is based on the propagation of the light signals to be characterized in a loop mirror.
  • This device constitutes an improvement of the first embodiment in an optical fiber.
  • phase tuning condition requires working with spectrally close sources, which degrades the signal to noise ratio, in particular due to the spontaneous emission noise of the sources.
  • the performance of the device depends on the ability to measure the converted field. The latter can be weak and risks being drowned in noise.
  • the non-linear medium is replaced by a loop mirror 11.
  • the diagram of the second possible embodiment is shown in Figure 7.
  • the general principle of this embodiment is identical to that of the first embodiment. The numbering reflects this similarity. It comprises two light sources 1 and 2.
  • the source 1 is pulsed (for example a laser diode with distributed feedback controlled by generator 14 of sinusoidal signal) and the source 2 is continuous (for example a laser diode with Bragg grating distributed).
  • the light signals from these two sources propagate in separate optical branches 101 and 102 before combining in a coupler 10.
  • the signal resulting from the combination propagates in a non-linear medium 11 connected at the output of the coupler and is analyzed by a spectrum analyzer 12.
  • the polarization of the light signals from sources 1 and 2 is, as in the first embodiment, adjusted using fiber polarization controllers 51 and 52 in order to obtain the best possible conversion efficiency.
  • the light signals are amplified by optical amplifiers 31 and 32 with erbium-doped fiber.
  • filters 41 and 42 are then filtered by filters 41 and 42 in order to reduce the noise of spontaneous emission.
  • the optical path 101 comprises a Michelson interferometer 90 identical to that which comprises the first embodiment.
  • a computer 13 for example makes it possible to collect the data via an IEEE interface and to process them.
  • the loop mirror 11 comprises a standard coupler 111, a length L of offset dispersion fiber 112, and a standard fiber length / 113.
  • a state of destructive interference for the source fields is created at the output of the mirror 11, but constructive for the converted field.
  • the first step is automatically carried out.
  • the second step is obtained by choosing the length / of the dispersive element.
  • K is a constant of proportionality
  • a ⁇ is the phase mismatch between the light signals; ⁇ (f ⁇ ), ⁇ (f 2 ), ⁇ (f cw ) are the respective phases of the light signals.
  • the relation (19) can be obtained by using on the one hand as a non-linear medium 112 a fiber with offset dispersion and on the other hand as dispersive medium 113 either a fiber with standard dispersion, or a fiber compensating for dispersion.
  • the contrast is limited by the depolarization during propagation in the fiber and by the imbalance of the coupler 111 constituting the loop.
  • FIG. 8 represents a third possible embodiment of a device for characterizing short pulses by the non-degenerate four-wave mixture.
  • This embodiment can be implemented when two pulse sources of different wavelengths generating pulses of comparable characteristics are available. We then use a general configuration as shown in FIG. 1.
  • FIG. 8 A diagram of the possible device according to the third embodiment is shown in FIG. 8.
  • the two pulse sources 1 and 2 are indirectly controlled by a microwave synthesizer 8.
  • the signal from the microwave synthesizer 8 is sent to a power divider 7.
  • the power divider 7 has two outputs.
  • the first output of the power divider 7 is connected to a delay generator 9, the output of which is connected to an amplifier 21.
  • the signal from the amplifier 21 controls the pulse source 1.
  • the second output of the power divider 7 is connected to an amplifier 22, the output of which is connected to the pulse source 2.
  • the emitted optical fields are then amplified by amplifiers 31 and 32, filtered by filters 41 and 42 and their polarization is adjusted by controllers 51 and 52. These two components are injected into a first coupler 10, then the resulting field is coupled to a continuous field coming from a continuous light source 3 in a coupler 111.
  • the continuous light source 3 will advantageously be a tunable laser.
  • the total optical field then propagates in a non-linear medium 11.
  • the non-linear medium 11 will advantageously be a fiber with offset dispersion.
  • the output of the non-linear medium 11 is connected to a spectrum analyzer 12.
  • the data from the analyzer 12 is then collected by computer 13.
  • This trace is reversible with a modified version of the algorithms used to process traces from a single field. In addition, it presents neither interference fringes nor continuous background, which constituted noise in the degenerate case.
  • this system makes it possible to get rid of the optical delay line that constituted the Michelson interferometer 90 in the first two degenerate embodiments.
  • the interferometer 90 is replaced by an electronic delay generator 9, which makes it possible to greatly reduce optical losses and to facilitate acquisition, in particular by automation.
  • this configuration imposes a less drastic condition on the wavelengths of the pulses than the degenerate method.
  • the phase tuning condition only imposes symmetry of the spectrum with respect to the dispersion zero.
  • the condition of spectrum symmetry can be resolved by using a tunable continuous source.
  • the two sources 1 and 2 must have a sufficiently low time jitter, otherwise the precision will be reduced. These conditions are generally verified in the case of gain switching diodes.
  • Optical fibers are a material which has the following advantages.
  • the system according to the invention allows the characterization of low-power picosecond and sub-picosecond pulses (a few milliwatts) by means of the four-wave mixture.
  • the configuration which is the subject of the invention allows the use of optical fiber, which opens up the possibility of long interaction lengths, hence increased sensitivity.
  • the sensitivity of the device can be further improved by exploiting the properties of loop mirrors.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de caractérisation d'au moins une impulsion lumineuse selon lequel: on génère au moins une autre impulsion lumineuse; on retarde ces deux impulsions l'une par rapport à l'autre; on combine dans un coupleur les deux impulsions lumineuses ainsi retardées l'une par rapport à l'autre; caractérisé en ce que on génère en outre un signal lumineux continu de fréquence optique différente des deux impulsions, que l'on combine, dans un coupleur (10), au signal optique résultant de la combinaison des deux impulsions lumineuses, avant d'injecter le signal résultant de ladite combinaison dans le milieu non linéaire (11); on fait se propager le signal issu de la combinaison des deux impulsions lumineuses et du signal continu dans un milieu ayant un coefficient d'interaction non linéaire d'ordre trois ou supérieur; on effectue l'analyse spectrale dudit signal lumineux après sa propagation dans le milieu non linéaire afin d'en tirer une information sur la fréquence et/ou la phase et/ou l'amplitude de l'impulsion lumineuse que l'on cherche à caractériser.

Description

CARACTERISATION D'IMPULSIONS COURTES FAIBLE PUISSANCE.
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL.
L'invention concerne un procédé de caractérisation, notamment en phase et en fréquence instantanée, d'impulsions lumineuses ainsi que des dispositifs permettant la mise en oeuvre d'un tel procédé de caractérisation. Plus particulièrement, l'invention concerne la caractérisation d'impulsions lumineuses picosecondes et sub-picosecondes de faible puissance.
ETAT DE L'ART.
Difficultés de caractérisation.
Généralement, les détecteurs pour caractériser les impulsions lumineuses de durées inférieures à 100 picosecondes (ps) sont uniquement sensibles à l'intensité lumineuse des impulsions. Ils ne permettent pas d'obtenir une information sur la phase de l'impulsion et/ou sa fréquence instantanée.
Cependant, la connaissance de ces caractéristiques permet la mise en évidence d'effets non linéaires (comme l'effet Kerr par exemple) dans les transmissions par fibre optique.
Le procédé 'Porte Optique Résolue en Fréquence'.
Le procédé 'Porte Optique Résolue en Fréquence' - ou Frequency
Resolved Optical Gating (FROG) selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée - permet quant à lui une caractérisation en fréquence des impulsions lumineuses à faible puissance. Il est décrit dans le document US 5 530 544.
Selon ce procédé, pour caractériser une impulsion lumineuse initiale, on réalise une auto corrélation entre ladite impulsion et une impulsion lumineuse qui lui est identique, mais qui est retardée par rapport à elle.
On réalise ensuite une analyse spectrale du champ optique harmonique obtenu en sortie de la corrélation. La trace ESjg(ω,τ) obtenue par l'analyse spectrale est une fonction de deux variables caractéristiques de l'impulsion à étudier - ω est la pulsation du signal lumineux dont on mesure la trace, τ est le retard introduit entre les deux impulsions. On traite la trace par un algorithme approprié connu en soi afin d'en déduire la phase et l'amplitude de l'impulsion en fonction du temps.
Le procédé de déconvolution est un algorithme itératif qui, partant d'une estimation du champ test, la compare avec la trace FROG expérimentale et effectue des corrections sur ce champ test pour obtenir la solution recherchée. A chaque étape, une fonction d'erreur, qui reflète la différence existant entre trace théorique et expérimentale, est calculée. Elle permet d'évaluer le degré de convergence vers la solution de l'algorithme. Une description détaillée des procédés de correction du champ test est donnée par le document US 5 530 544. Grâce à la déconvolution, on peut tirer une information sur la forme de l'impulsion initiale. On obtient notamment sa caractérisation en fréquence instantanée.
Dans la méthode FROG, la trace Esig(w,τ) est obtenue en multipliant le signal lumineux initial par une porte optique temporelle, puis en analysant le spectre résultant. Ces opérations peuvent être décrites symboliquement par la formule :
Figure imgf000004_0001
où t est la variable de temps
S(ω,τ) est l'intensité du spectre résultant de la corrélation ; g(t) est le champ optique de la porte considérée ; E(t) est le champ optique de l'impulsion à caractériser ; ω est la pulsation lumineuse ; τ est le retard entre les deux impulsions. La porte temporelle g(t) peut prendre n'importe quelle forme, et sa durée doit être inférieure à celle de l'impulsion.
Dans le cas idéal où g(t) est de durée beaucoup plus courte que celle de E(t), on obtient un échantillonnage résolu en fréquence. En d'autres termes,
S donne directement la mesure de la fréquence instantanée et de l'amplitude de E.
Il est toutefois très difficile de réaliser en pratique une impulsion plus courte que l'impulsion à caractériser. La façon la plus simple de procéder est alors d'utiliser comme porte une réplique de l'impulsion initiale.
Dans sa réalisation la plus générale, la technique FROG comporte deux étapes.
Selon une première étape, - On génère deux impulsions E(t) et g(t) ;
- On impose un retard variable τ à l'une d'entre elles ;
- On corrèle les deux champs par le biais d'une interaction non linéaire ;
- On réalise une analyse spectrale du champs résultant.
Selon une deuxième étape - dite de déconvolution ou d'inversion,
- On détermine une estimation de E(t) et g(t) à partir de la trace obtenue par des algorithmes d'inversion connus en soi.
Ce procédé permet de caractériser les impulsions de faible puissance. En effet, la corrélation des impulsions est effectuée avec toute leur intensité lumineuse disponible.
Procédés d'auto corrélation non linéaire. Plusieurs procédés d'auto corrélation sont connus.
On peut réaliser une rotation non linéaire de la polarisation des impulsions. Dans ce cas, les deux impulsions retardées sont polarisées à 45° l'une de l'autre et incidentes sur un milieu non linéaire d'ordre trois. La biréfringence induite par un champ sur l'autre en modifie l'état de polarisation, et l'intensité détectée après un polariseur est proportionnelle à la fonction de corrélation recherchée. La trace bidimensionnelle est obtenue en réalisant une analyse spectrale du champ détecté.
D'autres variantes utilisent la génération de deuxième ou troisième harmonique. On réalise une auto corrélation comme précédemment décrit, puis on analyse le spectre à la fréquence doublée ou triplée. Une variante est fondée sur la génération non linéaire de réseaux d'indice. Selon la géométrie envisagée, deux ou trois répliques de l'impulsion initiale sont incidentes sur un milieu non linéaire d'ordre trois, et créent un système de franges. Par effet non linéaire, ce système induit un réseau de diffraction, et la trace est obtenue par analyse spectrale de l'ordre diffracté. Enfin, une dernière variante exploite l'effet de modulation de phase croisée dans une fibre. Les deux impulsions polarisées orthogonalement sont injectées dans une fibre, et la modulation de phase qui en résulte se traduit par une déformation caractéristique du spectre.
Une technique exploitant le coefficient non linéaire d'ordre trois des fibres optiques a déjà été étudiée par Mark D. Thomson, J.M. Dudley et al., dans la publication 'Complète puise characterization of ultrashort puise sources at 1550 nm', IEEE J. Quantum Electron. 35, pp. 441-450 (1999).
Inconvénients.
Les techniques précédentes présentent cependant des inconvénients. En effet, elles nécessitent des puissances lumineuses importantes. Les techniques fondées sur des non linéarités d'ordre trois, qui sont plus faibles que les non linéarités d'ordre deux, sont en général réservées aux impulsions femtosecondes, qui sont les seules capables d'atteindre les puissances nécessaires. Néanmoins, les techniques d'ordre trois sont préférées lorsqu'elles sont utilisables. En effet, elles fournissent une trace contenant plus d'information sur l'impulsion initiale que celle obtenue par génération de second harmonique. Elles donnent notamment une information directe sur le signe de la modulation de fréquence parasite - ou chirp selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée par l'homme de métier.
Dans la méthode de Mark D. Thomson et al., la non linéarité résulte en un déphasage non linéaire. Cependant, cette méthode présente certains inconvénients. Les impulsions à caractériser se propagent dans la même direction le long de la fibre. L'effet non linéaire ne réalise pas de conversion de fréquence mais seulement un déphasage. L'étape de déconvolution est alors plus problématique et nécessite des algorithmes plus compliqués et moins efficaces que les algorithmes courants.
PRESENTATION DE L'INVENTION.
L'invention propose de pallier ces inconvénients.
Notamment, l'invention a pour but de rendre possible la caractérisation complète d'impulsions courtes picosecondes et sub-picosecondes de faible puissance - dont la puissance crête ne dépasse pas quelques milliwatts.
L'invention a pour but d'augmenter la sensibilité des procédés de caractérisation existants, notamment le procédé FROG.
Un autre but de l'invention est d'assurer une grande souplesse d'utilisation grâce à l'emploi d'une fibre optique qui, par mélange à quatre ondes permet d'obtenir un signal détectable malgré la faible non linéarité du matériau.
Dans la présente invention, on ajoute aux deux champs optiques impulsionnels à caractériser, un troisième champ optique continu. Le but est de réaliser, dans tout milieu non linéaire d'ordre au moins égal à trois, une conversion de fréquence du signal FROG.
Une non linéarité d'ordre trois ou supérieur est nécessaire. En effet, le procédé implique au moins deux champs impulsionnels et un champ continu, plus le champ généré par mélange de fréquences. Une non linéarité d'ordre N ne pouvant faire interagir que au plus N+1 champs, N devra ici être supérieur ou égal à trois.
On peut également obtenir dans des milieux d'ordre deux des effets d'ordre trois, mais il s'agit de non linéarité équivalente obtenue par effet cascade. A cet effet, l'invention propose un procédé selon lequel un champ lumineux constitué de deux répliques retardées d'une ou des source(s) à caractériser est généré, puis injecté dans une fibre optique où il se propage conjointement avec un champ continu à une fréquence optique différente de celle du (des) premiers) champ(s). L'interaction non linéaire qui en résulte dans la fibre de mesure donne naissance à un champ lumineux à une fréquence distincte, dont l'analyse spectrale permet, en employant des algorithmes connus, de retrouver l'amplitude complexe de l'impulsion originale, sans nécessité une connaissance a priori de la forme de l'impulsion.
En vue de réaliser ces buts, l'invention propose un procédé de caractérisation d'au moins une impulsion lumineuse selon lequel : - on génère au moins une autre impulsion lumineuse ;
- on retarde ces deux impulsions l'une par rapport à l'autre ;
- on combine dans un coupleur les deux impulsions lumineuses ainsi retardées l'une par rapport à l'autre ; caractérisé en ce que - on génère en outre un signal lumineux continu de fréquence optique différente des deux impulsions, que l'on combine, dans un coupleur, au signal optique résultant de la combinaison des deux impulsions lumineuses, avant d'injecter le signal résultant de ladite combinaison dans le milieu non linéaire ;
- on fait se propager le signal issu de la combinaison des deux impulsions lumineuses et du signal continu dans un milieu ayant un coefficient d'interaction non linéaire d'ordre trois ou supérieur ; - on effectue l'analyse spectrale dudit signal lumineux après sa propagation dans le milieu non linéaire afin d'en tirer une information sur la fréquence et/ou la phase et/ou l'amplitude de l'impulsion lumineuse que l'on cherche à caractériser. « L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - on fait varier le retard autour d'une valeur moyenne et en ce qu'on mesure la trace en sortie du milieu non linéaire en fonction de ce retard ;
- on tire une information sur la fréquence et/ou la phase et/ou l'amplitude de l'impulsion lumineuse que l'on cherche à caractériser en effectuant la déconvolution de la trace issue de l'analyse spectrale ; - pour générer au moins une autre impulsion lumineuse, on dédouble l'impulsion que l'on cherche à caractériser ;
- les impulsions lumineuses sont générées par des sources différentes.
L'invention concerne également un dispositif de mise en œuvre du procédé selon l'invention. Le dispositif selon l'invention comporte des moyens pour la mise en œuvre du procédé. Il est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :
- le milieu non linéaire comporte une fibre optique ; - le milieu non linéaire comporte une fibre optique à dispersion décalée ;
- le milieu non linéaire comporte un miroir en boucle.
- la source lumineuse continue comporte une diode laser à réseau de Bragg distribué ;
- la source lumineuse continue comporte un laser accordable.
PRESENTATION DES FIGURES.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit qui est purement illustrative et non limitative et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un schéma de principe d'un dispositif de caractérisation par mélange quatre ondes selon l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement une configuration possible de la puissance spectrale en fonction de la fréquence dans le cas non dégénéré ; - la figure 3 représente schématiquement une configuration possible de la puissance spectrale en fonction de la fréquence dans le cas dégénéré ;
- la figure 4 est une représentation schématique d'un dispositif de caractérisation selon l'invention dans le cas dégénéré ; - la figure 5 représente l'intensité spectrale mesurée en sortie du dispositif en fonction de la longueur d'onde ;
- la figure 6 représente schématiquement la trace bidimensionnelle mesurée en sortie du dispositif ;
- la figure 7 représente un dispositif selon l'invention comportant un miroir non linéaire en boucle, cas dégénéré ; et
- la figure 8 représente un schéma de dispositif selon l'invention dans le cas non dégénéré.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION. DESCRIPTION DU PRINCIPE GÉNÉRAL DE L'INVENTION.
Le schéma de principe du dispositif selon l'invention est représenté sur la figure 1.
Le dispositif général selon l'invention comporte deux chemins optiques 101 et 102 issus de deux sources lumineuses 1 et 2 couplés en 5 avant d'être analysés spectralement.
Plus précisément, il comporte deux sources 1 et 2 impulsionnelles ainsi qu'un générateur 3 de retard variable qui est branché en sortie de la source impulsionnelle 2.
Le générateur 3 de retard est relié à des moyens 4 permettant de faire varier le retard autour d'une position moyenne.
Un coupleur 5 permet de combiner le signal lumineux retardé au signal lumineux issu de la source 1.
Un autre coupleur 7 permet de combiner le signal issu du coupleur 5 à un signal issu d'une source lumineuse continue 6. Le signal issu du coupleur 7 se propage dans un milieu non linéaire 8 avant d'être reçu par un analyseur spectral 9.
Les éléments du dispositif comportent les caractéristiques suivantes. - la source impulsionnelle 1 émet un signal lumineux E-ι(t) ;
- la source impulsionnelle 2 émet un signal lumineux E2(t) ;
- le générateur 3 retarde le signal lumineux Ez{t) d'un retard variable noté τ ;
- la source continue 6 émet un signal lumineux Ecw ', - le milieu non-linéaire 8 peut être une fibre optique.
RAPPELS THEORIQUES.
Cas général.
Si on exprime les champs émis par les sources 1 , 2 et 6 respectivement par
E! (t) = Ax (t) exρ(-t o1t) E2(t) = ,42(t)expHû)2t) (2)
ECw (0 = A cw e ρ(-iωcwt)
où - Εi , Ai et ωi correspondent respectivement au champ optique de la source 1 , à son amplitude en fonction du temps et à sa pulsation ;
- Ε2, A2 et θ2 correspondent respectivement au champ optique de la source 2, à son amplitude en fonction du temps et à sa pulsation ;
- Εcw, Acw et cocw correspondent respectivement au champ optique de la source continue, à son amplitude en fonction du temps et à sa pulsation ;
Après le retard optique, le champ E2 s'écrit : E2(t-τ) = A2(t-τ)Qxp[-iω2(t-τ)] (3)
On considère que la seule interaction non linéaire susceptible de se produire dans le milieu non linéaire est le mélange quatre ondes. Les principes de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement imposent alors des conditions sur les fréquences et les vecteurs d'onde mis en jeu :
J \ "*" 2 ~ J CW "•" J l , . .
Figure imgf000011_0001
où fi et kι désignent la fréquence et le vecteur d'onde du champ converti ou idler.
Si on veut obtenir une conversion de fréquence significative, il faut obtenir ce qu'on appelle l'accord de phase. En faisant les hypothèses que
Figure imgf000012_0001
Où E-(t,z) est le champ électrique,
Ai(t,z) est l'enveloppe lentement variable du champ référencé par i, t est la variable de temps, z est une variable d'espace, oo* est la pulsation, et avec
Figure imgf000012_0002
k* est le vecteur d'onde ; et
que les modules des champs optiques sont constants ; et que l'atténuation est négligeable, alors on montre que la relation décrivant la variation du champ idler en fonction du temps et de la variable d'espace est : î -(t,z)=-jγD.Aι(t,z).A2(t,z)Λ*cw(t,z).exp(/Ak.z)
où γ est un coefficient non linéaire,
D est un facteur de dégénérescence, Δk=kι+k2-k|-kcw
Dans le cas général, le milieu de propagation est dispersif, et Δk n'est pas nul.
L'énergie reflue alors périodiquement dans la pompe, ce qui empêche le champ idler de croître.
Réaliser l'accord de phase consiste à se placer dans les conditions où Δk est nul. On peut alors démontrer que, dans l'hypothèse où l'accord de phase est réalisé et où les champs pompes sont peu dépeuplés, on obtient : Aι∞A(t)χAι(t-τ)y.Acw<χA t)'χAι(t-τ) (5) où Ai, A-i, A2, représentent les amplitudes des champs convertis, issu de la source 1 , issue de la source 2 respectivement ; et
AcW représente l'amplitude conjuguée du champ de la source continue.
L'analyse spectrale donne alors :
S(ω,τ) -- J 4 (t) x A2 (t - τ) exp(-iωt) dt\ (6)
Cette fonction correspond à l'intensité du spectrogramme recherché.
Dans le cas général, le spectre mesuré à la sortie du dispositif est similaire à celui représenté sur la figure 2.
La configuration représentée n'est pas unique. Toute permutation des champs est possible. En pratique cela signifie que le système peut être modifié selon les longueurs d'ondes des sources disponibles.
Cas dégénéré.
Le cas Eι=E2=E est représenté sur la figure 3.
Dans ce cas, le mélange est dit dégénéré et donne un résultat similaire à celui obtenu en utilisant la génération de second harmonique.
Cependant, la superposition des champs E(t) et E(t-ή créée un système de franges d'interférences puisque
E(t)=A(t)ex.ρ(-iωt) (7)
avec A(t) l'amplitude du signal lumineux ; ce qui entraîne
E(t) + E(t - τ) =** [A(t) + A t - r) exρ(jωr)]exp(- iωt) (8)
Par la suite, c'est ce champ total qui est mis au carré par l'interaction non linéaire, ce qui aboutit à A, (t,τ)
Figure imgf000013_0001
L'intensité du spectrogramme s'exprime alors
S(ω,τ) = Aj (t, τ) exp(- iωi)dt (10)
On peut alors démontrer que S(ω,τ) peut s'exprimer sous la forme de trois composantes :
5(ω,τ) = C1(û),r)+ C2(cϋ,r)cos(ωr)+ C3(ω,r)cos(2ωr) (1 1 )
où Ci, C2, C3 sont des coefficient d'intensité.
On observe une composante en bande de base et deux composantes oscillantes cosinusoïdales.
Bien que les composantes oscillantes soient porteuses d'information, elles constituent néanmoins une gêne dans le processus de mesure car elles imposent une précision et une résolution interférométrique du système.
De plus, dans le cas d'impulsions relativement longues par rapport à la période optique, résoudre les franges impose de recueillir une quantité très importante de données. Par ailleurs, l'information potentiellement apportée par ces mesures est faible en comparaison de celle qu'il est possible d'obtenir par le biais d'un algorithme.
Il est donc judicieux de s'affranchir de ces franges.
Dans le cas du FROG par génération de second harmonique, cela est réalisé pratiquement en choisissant un milieu non linéaire de type II. Ce milieu non linéaire d'ordre deux impose que seules les composantes de polarisation orthogonales participent à l'interaction non linéaire.
Cette stratégie n'est pas applicable dans le cas du mélange quatre ondes dégénéré, à cause des propriétés de symétrie des tenseurs non linéaires des milieux homogènes. Une solution possible consiste à générer, grâce à l'élément 4 de la figure 1 , de petites oscillations du retard τ autour du point de fonctionnement. On réalise ensuite un filtrage passe-bas (par des moyens non représentés sur les figures) lors de la détection du champ optique.
La composante en bande de base varie lentement avec τ, tandis que les composantes oscillantes varient rapidement. Il est alors possible de distinguer facilement les données pertinentes.
Importance du milieu non linéaire.
Nous avons vu que le mélange quatre ondes nécessite que les deux conditions (4) soient vérifiées.
La première condition est résolue en employant une des dispositions spectrales de la figure 2. Par contre, la seconde est plus délicate à obtenir, et dépend dans une large mesure du matériau dans lequel le mélange a lieu.
Cette condition serait vérifiée si le milieu était sans dispersion de temps de groupe. Ce n'est généralement pas le cas.
Cas de la fibre optique.
Une fibre optique présente les avantages suivants :
- un fort confinement de l'énergie ;
- une grande longueur potentielle ;
- de faibles pertes énergétiques ; et - une compatibilité avec les sources modernes et les réseaux de télécommunications.
Les fibres optiques présentent en outre la propriété d'avoir une longueur d'onde, fixée par construction, où la dispersion s'annule. Cette longueur d'onde est égale à environ 1,3 μm pour les fibres dites standard, ou 1,55 μm pour les fibres dites à dispersion décalées. On peut démontrer qu'au voisinage de cette longueur d'onde, appelée zéro de dispersion, l'accord de phase peut être réalisé dans les deux configurations représentées sur la figure 2. En effet, on pose
Figure imgf000016_0001
-βif if-f ^ \dβi(ffM\ .,. (ff -f fof V— £π D r-iVfoY, i (fr-f f V λ4π
Figure imgf000016_0002
où Δβ est le désaccord de phase entre les signaux lumineux ; βι, β 2, βcw, et βi sont les phases respectives des signaux lumineux ; λ représente la longueur d'onde du signal lumineux ; f est la fréquence du signal lumineux ; f0 est la fréquence de zéro de dispersion ; D est la dispersion de temps de groupe en ps/nm/km ; Dc la pente de cette dispersion en ps/nm2/km ; et c est la célérité du signal dans le milieu.
En admettant que D est nul, on obtient dans le cas général une expression du désaccord de phase : Δ ? = -^z [fo -/„)+(/-, -/„)]•(/, -/,M i -/,) (14)
Dans le cas dégénéré - soit fi égale à f2-, cette équation devient
Aβ = -^ 2 -D "cc .2 "(V/iI -/ J„O)/•( V/,I -f J,lf) = -^ 2 Dc .2fo -/0)Δ/2 (15)
C c
Dans les deux cas de figure, on remarque que le désaccord de phase s'annule lorsque le spectre est symétrique par rapport au zéro de dispersion, ceci correspondant à l'accord de phase recherché. Le choix d'une configuration de mélange quatre ondes dégénérée ou non repose sur plusieurs critères.
CHOIX DE LA CONFIGURATION NON DÉGÉNÉRÉE. La configuration non dégénérée présente les avantages suivants :
- lorsque de la fibre est employée comme milieu non linéaire, l'accord de phase est réalisé sur une grande plage lorsque f-/ et f2 sont situées de part et d'autre de la fréquence du zéro de dispersion. Ceci permet une bonne accordabilité et une large bande passante,
- la caractérisation simultanée de deux impulsions est possible,
- l'interaction non linéaire est deux fois plus importante que dans le cas dégénéré, d'où un gain d'un facteur quatre en terme de rapport signal sur bruit, - il n'apparaît pas de franges d'interférences,
- il est possible, lorsque les sources s'y prêtent, de générer le retard entre les deux impulsions de manière électronique et non optique, ce qui n'est pas le cas en mode dégénéré.
La configuration non dégénérée présente cependant les inconvénients suivants :
- il faut travailler avec deux sources impulsionnelles équivalentes ;
- les sources impulsionnelles doivent être stables et de taux de répétition multiples l'un de l'autre.
CHOIX DE LA CONFIGURATION DÉGÉNÉRÉE.
La configuration dégénérée présente quant à elle les avantages suivants :
- une seule et unique source impulsionnelle est requise, - les exigences en terme de stabilité et de taux de répétition de la source sont faibles,
- dans la fibre optique, les distorsions de l'impulsion à caractériser dues à la dispersion et à la modulation de phase croisée sont moindres que dans le cas non dégénéré, ce qui permet l'usage de plus grandes longueurs de fibre.
La configuration dégénérée présente cependant l'inconvénients suivant : - l'impulsion doit être centrée autour de la longueur d'onde du zéro de dispersion de la fibre afin que la condition d'accord de phase soit vérifiée.
DESCRIPTION D'UN PREMIER MODE DE REALISATION. Un premier mode de réalisation possible de dispositif de caractérisation d'impulsions courtes fondé sur le mélange quatre ondes - ou Four Wave
Mixing (FWM) selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée - dégénéré est représenté sur la figure 4. Il est fondé sur la' propagation des signaux lumineux à caractériser dans une fibre. II comporte deux sources lumineuses 1 et 2. La source 1 est impulsionnelle et la source 2 est continue.
Les signaux lumineux issus de ces deux sources se propagent dans des branches optiques 101 et 102 distinctes avant de se combiner dans un coupleur 10. Le signal résultant de la combinaison se propage dans un milieu non linéaire 11 relié en sortie du coupleur 10. Il est analysé par un analyseur de spectre 12.
La source impulsionnelle 1 est une diode laser à rétroaction répartie (DFB) conçue pour la modulation rapide (10 Gb/s). Elle est pilotée par générateur de signal 14. Le signal pilote est par exemple sinusoïdal et de forte amplitude à 1 GHz.
La durée des impulsions ainsi créées est évaluée à moins de 20 ps pour une largeur spectrale à -20 dB de 0,8 nm. La puissance moyenne à la sortie de la diode 1 est de -3 dBm. La longueur d'onde d'émission est de 1556,5 nm avec 1 nm d'accordabilité par effet thermique. La source continue 2 est une diode laser à réseau de Bragg distribué (DBR), émettant jusqu'à 1 mW entre 1545 et 1555 nm. Elle a une largeur de raie inférieure à 100 MHz.
Un contrôleur de polarisation fibre 51 est relié en sortie de la source 1. Il ajuste la polarisation de l'impulsion lumineuse issue de 1 afin d'obtenir la meilleure efficacité de conversion possible.
En sortie du contrôleur 51 , l'impulsion entre dans un interféromètre de
Michelson 90. Il comporte deux objectifs de microscope 61 et 62, un cube séparateur 7 et deux miroirs 81 et 82.
Le miroir 81 est translatable sur une distance de 16 mm par exemple. Le miroir 82 est équipé d'un vérin piézo-électrique 9 soumis à une tension sinusoïdale.
Le signal lumineux en sortie de l'objectif 62 est amplifié par un amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium 31.
Le signal amplifié est ensuite filtré par le filtre 41 afin de réduire le bruit d'émission spontanée.
Le signal lumineux continu issu de la source 2 est amplifié par un amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium 32.
Il est ensuite filtré par un filtre 42 afin de réduire le bruit d'émission spontanée.
La polarisation du signal amplifié et filtré est ajustée par un contrôleur de polarisation fibre 52 afin d'obtenir la meilleure efficacité de conversion possible.
Un coupleur standard 10 combine les signaux lumineux issus de l'interféromètre - chemin optique 101 - et de la source continue - chemin optique 102. Le champ issu de la combinaison est injecté dans une fibre à dispersion décalée 11 dont les paramètres sont conçus pour obtenir un zéro de dispersion à une longueur d'onde spécifique (1557 nm par exemple) . Le champ sortant de la fibre 11 est analysé sur l'analyseur de spectre 12. Des moyens de traitement 13, comme un ordinateur par exemple, permettent de recueillir les données via une interface IEEE (- 488 GPIB par exemple) et de les traiter. Cette interface permet de relier plusieurs appareils à un ordinateur afin de la piloter à distance.
La fibre utilisée a avantageusement un zéro de dispersion situé à 1557 nm, avec une pente Dc=0,07 nm/ps2/km.
Avantageusement, elle mesure 22 km pour des pertes de 0,22 dB/km.
Les résultats obtenus sur les moyens 13 sont représentés sur la figure 5. Le spectre à la sortie du dispositif met en évidence l'existence d'un champ converti à 1560 nm. La figure 6 représente la trace bidimensionnelle mesurée.
DESCRIPTION D'UN DEUXIEME MODE DE REALISATION. Un deuxième mode de réalisation possible de dispositif de caractérisation d'impulsions courtes par le mélange quatre ondes dégénéré est représenté sur la figure 7. Il est fondé sur la propagation des signaux lumineux à caractériser dans un miroir en boucle.
Ce dispositif constitue une amélioration du premier mode de réalisation dans une fibre optique.
En effet, la condition d'accord de phase impose de travailler avec des sources spectralement proches, ce qui dégrade le rapport signal sur bruit, notamment en raison du bruit d'émission spontanée des sources.
Cependant, les performances du dispositif dépendent de la capacité à mesurer le champ converti. Ce dernier peut être faible et risque d'être noyé dans le bruit. Afin de réduire le seuil de bruit à la sortie du dispositif, le milieu non linéaire est remplacé par un miroir en boucle 11. Le schéma du deuxième mode de réalisation possible est représenté sur la figure 7. Le principe général de ce mode de réalisation est identique à celui du premier mode de réalisation. La numérotation reflète cette similarité. Il comporte deux sources lumineuses 1 et 2. La source 1 est impulsionnelle (par exemple une diode laser à rétroaction répartie pilotée par générateur 14 de signal sinusoïdal) et la source 2 est continue (par exemple une diode laser à réseau de Bragg distribué).
Les signaux lumineux issus de ces deux sources se propagent dans des branches optiques 101 et 102 distinctes avant de se combiner dans un coupleur 10.
Le signal résultant de la combinaison se propage dans un milieu non linéaire 11 relié en sortie du coupleur et est analysé par un analyseur de spectre 12.
La polarisation des signaux lumineux issus des sources 1 et 2 est, comme dans le premier mode de réalisation, ajustée à l'aide de contrôleurs de polarisation fibres 51 et 52 afin d'obtenir la meilleure efficacité de conversion possible. De même, les signaux lumineux sont amplifiés par des amplificateurs optiques 31 et 32 à fibre dopée à l'erbium.
Ils sont ensuite filtrés par les filtres 41 et 42 afin de réduire le bruit d'émission spontanée.
Le chemin optique 101 comporte un interféromètre de Michelson 90 identique à celui que comporte le premier mode de réalisation. Un ordinateur 13 par exemple permet de recueillir les données via une interface IEEE et de les traiter.
Le miroir en boucle 11 comporte un coupleur standard 111, une longueur L de fibre à dispersion décalée 112, et une longueur / de fibre standard 113.
Selon le procédé de mise en œuvre de ce dispositif, on crée en sortie du miroir 11 un état d'interférence destructive pour les champs sources, mais constructive pour le champ converti. Pour un miroir 11 idéal, la première étape est automatiquement réalisée. La seconde étape est obtenue en choisissant la longueur / de l'élément dispersif.
En effet, comme le montre la figure 7, le champ converti issu du port 130 qui se propage dans le sens direct subit d'abord l'effet non linéaire, puis ensuite l'effet dispersif.
Au contraire, le champ rétrograde procède inversement. Les champs optiques au droit du coupleur 111 peuvent s'écrire :
Figure imgf000022_0001
où K est une constante de proportionnalité ;
* représente le conjugué du champ optique considéré ; I est la longueur d'élément dispersif.
Les deux champs interfèrent alors et la puissance P mesurée en sortie sur le port 120 s'écrit
P2 = Ptm ^[l-cos(Aβ.ή] (17)
avec Aβ = 2β(fl)-β(fcw)-β(fI) (18)
où Aβ est le désaccord de phase entre les signaux lumineux ; β(fι), β(f2), β(fcw) sont les phases respectives des signaux lumineux.
On remarque que la puissance transmise maximale, correspondant à l'état d'interférence recherché, est obtenue pour
Δ/? -/ =* πmod2;τ (19)
Les champs pompes, qui subissent la même dispersion quelque soit le sens de propagation, ne sont pas affectés. Ils sont en opposition de phase, donc réfléchis sur la sortie 110. Ainsi, tant que la relation (19) est vérifiée, il est possible de transmettre sélectivement le champ converti vers la sortie 120, quelle que soit la configuration spectrale.
La relation (19) peut être obtenue en employant d'une part comme milieu non linéaire 112 une fibre à dispersion décalée et d'autre part comme milieu dispersif 113 soit une fibre à dispersion standard, soit une fibre compensatrice de dispersion.
En théorie, un état d'interférence parfaitement destructif peut être atteint.
Cependant, dans la réalité, le contraste est limité par la dépolarisation lors de la propagation dans la fibre et par le déséquilibre du coupleur 111 constituant la boucle.
Bien que cette configuration induise des pertes accrues et une légère diminution de l'efficacité de conversion, ceci est largement compensé par le gain obtenu sur le rapport signal sur bruit.
D'UN TROISIEME MODE DE REALISATION.
DESCRIPTION.
La figure 8 représente un troisième mode de réalisation possible de dispositif de caractérisation d'impulsions courtes par le mélange quatre ondes non dégénéré.
Ce mode de réalisation peut être mis en œuvre lorsque deux sources impulsionnelles de longueurs d'onde différentes générant des impulsions de caractéristiques comparables sont disponibles. On reprend alors une configuration générale telle que représentée sur la figure 1.
Un schéma du dispositif possible selon le troisième mode de réalisation est représenté sur la figure 8.
Les deux sources impulsionnelles 1 et 2 sont indirectement pilotées par un synthétiseur hyperfréquence 8.
Le signal du synthétiseur hyperfréquence 8 est envoyé sur un diviseur de puissance 7.
Le diviseur de puissance 7 possède deux sorties. La première sortie du diviseur de puissance 7 est reliée à un générateur de retard 9, dont la sortie est reliée à un amplificateur 21. Le signal issu de l'amplificateur 21 commande la source impulsionnelle 1.
La seconde sortie du diviseur de puissance 7 est reliée à un amplificateur 22, dont la sortie est branchée sur la source impulsionnelle 2.
Les deux sources sont pilotées en régime de commutation de gain.
Les champs optiques émis sont ensuite amplifiés par les amplificateurs 31 et 32, filtrés par les filtres 41 et 42 et leur polarisation est ajustée par les contrôleur 51 et 52. Ces deux composantes sont injectées dans un premier coupleur 10, puis le champ résultant est couplé à un champ continu issu d'une source lumineuse continue 3 dans un coupleur 111.
La source lumineuse continue 3 sera avantageusement un laser accordable. Le champ optique total se propage ensuite dans un milieu non linéaire 11.
Le milieu non linéaire 11 sera avantageusement une fibre à dispersion décalée.
La sortie du milieu non linéaire 11 est reliée à un analyseur de spectre 12.
Les données issue de l'analyseur 12 sont ensuite recueillies par ordinateur 13.
RAPPELS THEORIQUES.
Dans cette configuration, l'amplitude complexe du champ converti peut s'écrire
Figure imgf000024_0001
et la trace mesurée s'exprime
S(ω,τ) Aλ (t) x A2(t - r)exp(- iωt)dt (21 )
Cette trace est inversible avec une version modifiée des algorithmes utilisés pour traiter les traces issues d'un seul champ. En outre, elle ne présente ni franges d'interférences ni fond continu, qui constituaient un bruit dans le cas dégénéré.
De plus, ce système permet de s'affranchir de la ligne à retard optique que constituait l'interféromètre de Michelson 90 dans les deux premiers modes de réalisation dégénérés.
On remplace l'interféromètre 90 par un générateur de retard électronique 9, ce qui permet de réduire grandement les pertes optiques et de faciliter l'acquisition, notamment par automatisation.
Au surplus, cette configuration impose une condition moins draconienne sur les longueurs d'onde des impulsions que la méthode dégénérée. En effet, la condition d'accord de phase impose seulement la symétrie du spectre par rapport au zéro de dispersion.
Au contraire, dans le cas dégénéré, la longueur d'onde des impulsions elles-mêmes doit être proche de ce zéro.
Dans le cas non dégénéré, avec des longueurs d'onde de sources fixées, la condition de symétrie du spectre peut être résolue en employant une source continue accordable.
On atténue la contrainte sur les champs impulsionnels. Cependant, on ajoute une condition de similarité des impulsions. Elles doivent être de durées comparables, de puissances comparables et de taux de répétition multiples l'un de l'autre pour obtenir les meilleurs résultats.
De plus, les deux sources 1 et 2 doivent avoir une gigue temporelle suffisamment faible, sous peine de diminuer la précision. Ces conditions sont en général vérifiées dans le cas des diodes à commutation de gain.
Le procédé de mise en oeuvre du troisième mode de réalisation s'applique par conséquent avantageusement à ces sources.
AVANTAGES DE L'INVENTION.
Le procédé selon l'invention exploite les propriétés des guides optiques, afin de renforcer leur effet non linéaire. Les fibres optiques constituent un matériau qui présente les avantages suivants.
- un fort confinement de l'énergie ;
- d'une grande longueur potentielle ; - de faibles pertes ; et
- compatibilité avec les sources modernes et les réseaux de télécommunications
Le système selon l'invention permet la caractérisation d'impulsions picosecondes et sub-picosecondes de faible puissance (quelques milliwatts) par le biais du mélange quatre ondes.
La configuration faisant l'objet de l'invention permet l'emploi de fibre optique, ce qui ouvre la possibilité de grandes longueurs d'interaction, d'où une sensibilité accrue. La sensibilité du dispositif peut être encore améliorée en exploitant les propriétés des miroirs en boucle.
Enfin, la configuration basée sur le mélange non dégénéré permet d'obtenir une bande passante plus large tout en maintenant les performances de sensibilité.

Claims

REVENDICATIONS.
1. Procédé de caractérisation d'au moins une impulsion lumineuse selon lequel : - on génère au moins une autre impulsion lumineuse ;
- on retarde ces deux impulsions l'une par rapport à l'autre ;
- on combine dans un coupleur les deux impulsions lumineuses ainsi retardées l'une par rapport à l'autre ; caractérisé en ce que - on génère en outre un signal lumineux continu de fréquence optique différente des deux impulsions, que l'on combine, dans un coupleur, au signal optique résultant de la combinaison des deux impulsions lumineuses, avant d'injecter le signal résultant de ladite combinaison dans le milieu non linéaire ; - on fait se propager le signal issu de la combinaison des deux impulsions lumineuses et du signal continu dans un milieu ayant un coefficient d'interaction non linéaire d'ordre trois ou supérieur ;
- on effectue l'analyse spectrale dudit signal lumineux après sa propagation dans le milieu non linéaire afin d'en tirer une information sur la fréquence et/ou la phase et/ou l'amplitude de l'impulsion lumineuse que l'on cherche à caractériser.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'on fait varier le retard autour d'une valeur moyenne et en ce qu'on mesure la trace issue de l'analyse spectrale en sortie du milieu non linéaire en fonction de ce retard.
3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on tire une information sur la fréquence et/ou la phase et/ou l'amplitude de l'impulsion lumineuse que l'on cherche à caractériser en effectuant la déconvolution de la trace issue de l'analyse spectrale.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que pour générer au moins une autre impulsion lumineuse, on dédouble l'impulsion que l'on cherche à caractériser.
5. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les impulsions lumineuses sont générées par des sources différentes.
6. Dispositif de caractérisation d'au moins une impulsion lumineuse comportant : - des moyens (2) pour obtenir au moins une autre impulsion lumineuse ;
- des moyens (3, 4) pour retarder les impulsions l'une par rapport à l'autre ;
- un coupleur (5) pour coupler les deux impulsions lumineuses ainsi retardées ; caractérisé en ce qu'il comporte en outre
- une source lumineuse continue (6) pour générer un signal lumineux de fréquence optique différente de celle des deux impulsions ; - un milieu (8) ayant un coefficient d'interaction non linéaire d'ordre trois ou supérieur ;
- un coupleur (7) s'étendant d'une part entre la sortie du coupleur des deux impulsions lumineuses et la sortie de la source lumineuse continue pour coupler le signal optique continu aux deux impulsions lumineuses et d'autre part l'entrée du milieu non linéaire pour injecter dans le milieu non linéaire le signal optique issu de cette combinaison ;
- des moyens (9) effectuant l'analyse spectrale du signal après sa propagation dans le milieu non linéaire afin d'en tirer une information sur la fréquence et/ou la phase et/ou l'amplitude de l'impulsion lumineuse que l'on cherche à caractériser.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le milieu non linéaire comporte une fibre optique.
8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le milieu non linéaire comporte une fibre optique à dispersion décalée.
9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le milieu non linéaire comporte un miroir en boucle.
10. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens effectuant l'analyse spectrale comportent des moyens pour sélectionner au moins une longueur d'onde en sortie du milieu non linéaire, afin d'en mesurer l'intensité pour différentes valeurs de retard introduit entre les deux impulsions lumineuses.
11. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour obtenir deux impulsions lumineuses comportent deux sources lumineuses distinctes.
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens pour obtenir deux impulsions lumineuses comportent des moyens de synchronisation des sources lumineuses.
13. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour obtenir deux impulsions lumineuses comportent une seule source lumineuse.
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens pour obtenir deux impulsions lumineuses comportent des moyens pour dédoubler une impulsion lumineuses en deux impulsions lumineuses identiques.
15. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source lumineuse continue comporte une diode laser à réseau de Bragg distribué.
16. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source lumineuse continue comporte un laser accordable.
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