Brevet FR2495864A3 — publié le 19820611

FR 2495864 A3 19820611 FR 8026004 A 19801208 La présente invention concerne un dispositif de transmission par fibre optique permettant de maîtriser l'état de polarisation d'un faisceau lumineux et un système de transmission utilisant un tel dispositif. Elle s'applique en particulier à la transmission d'informations par fibre optique (transmission hétérodyne, multiplexage de polarisation, transmission bidirectionnelle) et à la mesure de grandeurs physiques par l'intermédiaire de fibres optiques utilisées en tant que capteurs (de pression, contraintes, ondes acoustiques, température et champ magnétique). Elle s'applique également à la mesure de vitesses angulaires (dans les gyromètres) et en optique non linéaire où l'on peut utiliser les fibres optiques comme milieu d'interaction. I1 est connu que les fibres optiques ayant subi une forte torsion peuvent transmettre une onde lumineuse polarisée circulairement sans modifier son état de polarisation. Cela est par exemple mentionné dans l'article suivant (1) "Polarization optics of twisted single-mode fi bers", par R. Ulrich et A. Simon, publié dans la revue Applied Optics, Juillet 1979, pp. 2241-2251. Les auteurs de cet article précisent que les fibres optiques modernes sont capables de supporter de fortes torsions mais ils affirment qu'il faut limiter ces torsions afin de ne pas perturber l'état de polarisation d'ondes lumineuses polarisées rectilignement et transmises par fibre optique. Pour atteindre le même but, des fibres optiques très circulaires et ayant très peu de contraintes ont été fabriquées, de façon à réduire le plus possible leur biréfringence linéaire, comme l'indique l'article intitulé (2) "Fabrication of single-mode fibres exhibiting extremely low polarisation birefringence", par SR. Norman, D.N.Payne, M.J.Adams et A.M.Smith, publié dans la revue Electronic Letters, 24 mai 1979, pp. 309-311. Différents articles traitent de la fabrication de fibres optiques monomodes très biréfringentes pour transmettre une onde lumineuse polarisée rectilignement (3) "Preservation of polarisation in optical fibre waveguides with elliptical cores", par R.B.Dyott, J.R.Cozens et D.G.Morris, publié dans la revue Elec tronic Letters, Juin 1979, pp. 380-382 dans lequel est décrite la fabrication de fibres optiques monomodes à coeur elliptique très biréfringentes (8x103 rd/m) pour transmettre une telle onde ;; (4) "Linear polarization in birefringent single mode fibres, par R.H.Stolen, V.Ramaswamy, P.Kaiser et W.Pleibel, publié dans la revue Appl.Phys.Lett., Octobre 1978, pp. 699-701 et (5) "Strain birefringence in single-polarisation germano-silicate optical fibres", par I.P.Kaminow, J.R.Simpson, H.M.Presby et J.B.Mac Chesney, publié dans la revue Electronic Letters, Octobre 1979, pp. 677-679, dans lesquels les auteurs décrivent la fabrication de fibres optiques monomodes à coeur elliptique et à forte dissymétrie de contraintes pour les rendre très biréfringentes (2000 rd/m) et capables de transmettre urs onde lumineuse polarisée rectilignement (à 98% au bout de 70 m). Enfin, dans deux articles (6) "Active Stabilisation of polarization in single mode fiber", par R.Ulrich, publié dans la revue Appl.Phys.LeFt., 1979, 5, pp. 840-842 et (7) "Electro-optical polarisation control on sin gle-mode optical fibres", par M. Kubota, T.Oohara, K.Furuya et Y.Suematsu, publié dans la revue Elec tronic Letters, Juillet 1980, p. 573, les auteurs décrivent des dispositifs permettant de s'accommoder de n'importe quel état de polarisation en introduisant (article (6)) des biréfringences de contrainte dans la fibre optique, permettant de commander l'état de polarisation en sortie, ou en utilisant (article (7)) des compensateurs en sortie de fibre optique, commandés par un système détectant, également en sortie de fibre, les variations de l'état de polarisation de l'onde lumineuse. Les fibres optiques décrites dans l'article (2) et dont la biréfringence linéaire est voisine de 0,05 rd/m, nécessitent de très grandes précautions de fabrication, (une fibre standard présentant une biréfringence linéaire de l'ordre de 1 à 5 rd/m) et également de très grandes précautions de mise en oeuvre (contraintes au câblage, torsion et courbures à minimiser). Ce sont donc des fibres chères et peut-être inutilisables en pratique sur grande longueur, les expériences ayant été effectuées sur 2 m de fibre et extrapolées à 100 m. Les fibres optiques décrites dans les articles (3) à (5) sont également des fibres spéciales. Par ailleurs, pour connecter deux fibres de ce genre, il faut impérativement aligner avec une très bonne précision leurs axes de biréfringence. En outre, les fibres optiques dont traite l'article (4) évoluent dans le temps, comme l'affirment ses auteurs, sont fragiles et présentent une forte atténuation. Enfin, les dispositifs décrits dans les articles (6) et (7) utilisent des systèmes de contreréaction très volumineux et complexes et certaines des applications de la présente invention mentionnées plus haut, notamment les deux dernières, ne peuvent être envisagées avec de tels dispositifs. La présente invention a pour but de remédier à tous les inconvénients que présentent les moyens de transmission exposés dans les articles (2) à (7) et elle vise un dispositif de transmission par fibre optique permettant de maîtriser l'état de polarisation d'un faisceau lumineux ainsi qu'un système de transmission utilisant un tel dispositif. Elle a tout d'abord pour objet un dispositif de transmission par fibre optique permettant de mat- triser l'état de polarisation d'un faisceau lumineux, se caractérisant en ce qu'il comprend - au moins une fibre optique possédant une torsion contrôlée, - des premiers moyens de polarisation placés à l'en trée de la fibre optique et permettant de passer d'un état de polarisation déterminé dudit faisceau lumineux à un état de polarisation circulaire et - des seconds moyens de polarisation placés à la sor tie de la fibre optique et permettant de passer d'un état de polarisation circulaire dudit faisceau lumi neux à un état de polarisation déterminé, de telle façon que ce faisceau lumineux ayant un état de po larisation donné et stable, soit polarisé circulai rement par lesdits premiers moyens de polarisation, que l'état de polarisation circulaire obtenu soit transmis sans perturbation par la fibre optique, du fait de la torsion de celle-ci, et converti par les dits seconds moyens de polarisation en un état de polarisation déterminé et stable. De préférence, la torsion que possède la fibre optique est comprise entre 1 et 10 tours par mètre de fibre. La présente invention utilise intentionnellement la propriété qu'a une fibre optique ayant subi une torsion de transmettre sans perturbation un faisceau lumineux polarisé circulairement, propriété considérée comme par sixte par l'art antérieur qui cherchait au contraire à éliminer ladite torsion pour minimiser la biréfringence qu'elle Causait à la fibre, biréfringence qui perturbait 1 "4at de polarisation d'un faisceau lumineux polarisé rectilignement et transmis par la fibre, comme cela est par exemple indiqué dans l'article (1). Dans la présente invention, on transmet par fibre optique de. états de polarisation circulaire (droite ou gauche de façon stable et sans perturbation ; (on peut bien entendu transmettre de façon indépendante un état de polarisation circulaire droite et un état de polarisation circulaire gauche) ; on ne cherche pas à transmettre des étals de polarisation rectiligne avec le moins de perturbation possible c'est la différence fondamentale entre la présente invention et l'art antérieur. On peut donc obtenir, en sortie du dispositif objet de l'invention, un état de polarisation souhaité du faisceau lumineux, à partir d'un état de polarisation donné, disponible à l'entrée dudit dispositif. Lesdits premiers et seconds moyens de polarisation sont bien entendu adaptés à chaque cas particulier : ils consistent par exemple en des lames biréfringentes, des polariseurs, des compensateur biréfringents ou des séparateurs de polarisations linéaires orthogonales, choisis ainsi que leurs caractéristiques (épaisseur, orientation) en fonction de l'état de polarisation du faisceau lumineux disponible à l'entrée du dispositif selon l'invention et de celui qui est souhaité à la sortie de ce dispositif. Par exemple, ledit faisceau lumineux ayant un état de polarisation rectiligne et stable avant les premiers moyens de polarisation, res premiers moyens et les seconds moyens de polarisation peuvent confis ter en deux lames quart d'onde, de façon que le faisceau lumineux ait un état de polarisation rectiligne et stable à la sortie desdits seconds moyens de polarisation. Ou encore : ledit faisceau lumineux ayant un état de polarisation elliptique et stable avant les premiers moyens de polarisation, ces premiers movens et les seconds moyens de polarisation peuvent consi- ter en deux compensateurs biréfringents ajustés de telle façon que le faisceau lumineux ait un état de polarisation elliptique et stable à la sortie desdi@e seconds moyens de polarisation. On voit donc que le dispositif objet d@ l'invention peut permettre de conserver un état de po larisation donné (mêmes états de polarisation à l'en- trée et à la sortie de ce dispositif). La présente invention utilise des fibres optiques standards ne nécessitant aucune précaution paru ticuliè@e de mise en oeuvre. Il peut s'agir de fibres par exemple monomodes ou multimodes à gradient d'indice ou à saut d'indice. Par ailleurs, les connections entre fibres peuvent être réalisées sans orienter respectivement les fibres les mes par rapport aux autres, ce qui n'est pas le cas des fibres décrites dans les articles (3) à (5). Enfin, le dispositif selon l'invention peut utiliser une ou plusieurs fibres optiques en parallè- le. Dans le second cas, les fibres sont généralement groupées en un câble. On peut appliquer une torsion aux fibres après fabrication ou lors du câblage. La valeur de la torsion à appliquer (de préférence 3 à 10 tours/m) lors de ce câblage, pour obtenir une biréfringence circulaire suffisante, est compatible avec les techniques usuelles de câblage et bien en-dessous des limites supportables mécaniquement par les fibres optiques modernes. Grâce au dispositif objet de l'invention, on peut disposer, à la sortie de, par exemple, plusieurs dizaines de kilomètres de fibre optique câblée, connectée et installée, d'un faisceau lumineux ayant de façon permanente'et stable l'état de polarisation que l'on souhaite. Ce résultat peut être obtenu quel que soit l'état de polarisation du faisceau lumineux disponible à l'entrée dudit dispositif, pourvu qu'il soit lui même stable et permanent. En outre, l'état de polarisation de sortie est indépendant de l'orientation de la fibre optique. La présente invention permet de réaliser des systèmes de transmission par fibre optique à haut débit d'information et sur de longues distances : Elle concerne par ailleurs un système de transmission bidirectionnelle à fibre optique comprenant, outre un dispositif selon l'invention, deux ensembles d'émission et de réception de lumière polarisée disposés de part et d'autre de ce dispositif. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs réalisations particulières données à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - les figures 1 et 2 représentent schématiquement des modes de réalisation particuliers du dispositif ob jet de l'invention, permettant respectivement de conserver des états de polarisation rectiligne et elliptique d'un faisceau lumineux et - la figure 3 représente schématiquement un système de transmission bidirectionnelle à fibre optique in cluant une réalisation particulière de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une réalisation particulière du dipositif objet de l'invention, permettant de conserver l'état de polarisation d'un faisceau lumineux polarisé rectilignement. Elle comprend une fibre optique 1 par exemple monomode, câblée et possédant une torsion contrôlée d'au moins 2 tours/m ainsi que deux lames quart d'onde 2 et 3 respectivement disposées à l'entrée et à la sortie de la fibre optique 1. Une source 4 de lumière monochromatique et polarisée rectilignementenvoie un faisceau lumineux sur la première lame quart d'onde 2 placée à l'entrée de la fibre optique 1. Cette première lame 2 est disposée de telle façon que la direction de polarisation dudit faisceau lumineux soit celle de l'une des bissectrices des lignes neutres de ladite lame 2.Une optique d'injection 5 du faisceau lumineux dans la fibre optique 1 est interposée entre cette dernière et la première lame quart d'onde 2. Une optique de récupération 6 du faisceau lumineux, rendant celui-ci parallèle, est interposée entre la seconde lame quart d'onde 3, placée à la sortie de la fibre optique 1, et cette fibre. L'état de polarisation rectiligne dudit faisceau lumineux est transformé en un état de polarisation circulaire par la première lame quart d'onde 2. Cet état de polarisation circulaire est transmis sans perturbation par la fibre optique 1, du fait de la torsion que cette fibre possède, puis reconverti en un état de polarisation rectiligne par la seconde lame quart d'onde 3. On conserve donc ainsi l'état de polarisation rectiligne du faisceau lumineux. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement une réalisation particulière du dispositif objet de l'invention, permettant de conserver l'état de polarisation d'un faisceau lumineux polarisé el liptiquement. Elle comprend une fibre optique 7 câblée et possédant une torsion contrôlée (égale par exemple à 3 tours/m) ainsi que deux compensateurs biréfringents 8 et 9 respectivement disposés à l'entrée et à la sortie de la ibre optique 7. Une source 10 de lumière monochromatique et polarisée elliptiquement envoie un faisceau lumineux sur 7 > premier mpensa- teur biréfringent placé à l'entrez de la fibre optique 7. Une optique d'injection 11 du faisceau lumineux dans la fibre optique 7 est interposée entre cette dernière et le premier compensateur 8. Une optique de récupératic 12 du faisceau lumineux, rendant celui-ci parallèlt, est interposée entre le second compensateur biréfringent 9, placé à la sortie de la fibre optique 7, e @ cette fibre. Le premier compensateur biréfringent 8 est ajusté pour transtrmer l'état de polarisation elliptique dudit faisceau lumineux en un état de polarisation circulaire. Cet état de polarisation circulaire est transmis sans perturbation par la fibre optique 7, du fait de la torsion que cette fibre possède, puis reconverti en un état de polarisation elliptique par le deuxième compensateur biréfringent 9 convenablement ajusté. On conserve donc ainsi l'état de polar i- sation elliptique du faisceau lumineux. Sur la figure 3, on a représenté schématiquement un système de transmission bidirectionnelle à fibre optique, incluant une réalisation particulière du dispositif selon l'invention. Ce système comprend une fibre optique 13 câblée et possédant une torsion contrôlée (égale par exemple à 3 tours/m) ainsi que deux lames quart d'onde 14a et 14b respectivement disposées de part et d'autre de la fibre optique 13.A la suite de ces deux lames quart d'onde 14a et 14b et symétriquement par rapport à la fibre optique 13 sont placés successivement : deux séparateurs de polarisa tions linéaires orthogonales 15a e 15b, deux optiques de liaison 16a et 16b et deux ensembles d'émission et de réception 17a et 17b de lumière monochromatique et polarisée rectilignement, ensembles comportant chacun un émotteur (tel qu'un laser) de lumière monochromati- que et polarisée rectilignement Ea (respectivement Eb) ainsi qu'un récepteur de lumière (tel qu'une photodio- de) R a (respectivement Rb.) Les séparateurs 15a et 15b sont prévus et disposés pour assurer la séparation matérielle (ang@- laire ru spatiale) des voies émission et réception 2 chaque extrémité dudit système de transmission. Deux optiques d'injection-récupération 18a et 18b, permettant d'introduire la lumière émise res- pectivement par les émetteurs a et E b dans la fibre optique 13 et de récupérer Sa lumière guidée par cette fibre optique 13 et émis, espectivement par les émettours Eb et Ea, sont interposées respectivement entre la fibre optique 1@ et les lames quart d'onde 14a et 14b. La première lame quart d'onde 14a est disopsée de t@lle fagon que la direction de polarisation (dans la plan de la Figure 3) d@ faisceau émis par le premier émetteur Ea @ci@ c@@@@ de l'une des bissectrices des lignes @eutres de ladite lame 14a. ;'état de polarisation rectiligne de la lumière émise par le premier émetteur Ea est transformé en un état de polarisation circulaire (droite sur la figure 3) par la première lame quart d'onde 14a. etc état de polarisation circulaire est transmis sans perturbation par la fibre optique 13, grâce à la torsion qu'elle possède, puis reconverti par la seconde larae quart d'onde 14b en un état de polarisation rectiligne dont la direction d (perpendiculaire à la direction de propagation de cet état) est celle de l'une des bissectrices des lignes neutres de ladite lame 14b, le second émetteur Eb étant prévu pour que la direction de polarisation du faisceau émis par lui soit celle db de l'autre de ces bissectrices. La lumière issue du premier émetteur E a et sortant de la seconde lame 14b est envoyée, grâce au second séparateur 15b suivi de la seconde optique de liaison 16b, vers le second récepteur Rb. De la même façon, l'état de polarisation rectiligne db de la lumière émise par le second émetteur E b est transformé en un état de polarisation circulaire (droite sur la figure 3) par la seconde lame quart d'onde 14b. Cet état de polarisation circulaire est transmis sans perturbation par la fibre optique 13 puis reconverti par la première lame quart d'onde 14a en un état de polarisation rectiligne (perpendiculaire au plan de la figure 3) envoyé, grâce au premier séparateur 15a suivi de la première optique de liaison 16a, vers le premier récepteur Ra La présente invention, qui s'accommode de fibres optiques classiques et exige simplement de celles-ci qu'elles possèdent une torsion contrôlée, est susceptible d'avoir de nombreuses applications, notamment dans le domaine de la transmission d'informations à grande distance. REVENDICATIONS 1. Dispositif de transmission par fibre optique permettant de maîtriser l'état de polarisation d'un faisceau lumineux, caractérisé en ce qu'il comprend - au moins une fibre optique (1, 7, 13) possédant une torsion contrôlée, - des premiers moyens (2, 8, 14a) de polarisation pla cés à l'entrée de la fibre optique (1, 7, 13) et permettant de passer d'un état de polarisation dé terminé dudit faisceau lumineux à un état de polari sation circulaire et - des seconds moyens (3, 9, 14b) de polarisation pla cés à la sortie de la fibre optique (1, 7, 13) et permettant de passer d'un état de polarisation cir culaire dudit faisceau lumineux à un état de polari sation déterminé, de telle façon que ce faisceau lumineux ayant un état de polarisation donné et sta ble, soit polarisé circulairement par lesdits pre miers moyens (2, 8, 14a) de polarisation, que l'état de polarisation circulaire obtenu soit transmis sans perturbation par la fibre optique (1, 7, 13), du fait de la torsion de celle-ci, et converti par les dits seconds moyens (3, 9, 14b) de polarisation en un état de polarisation déterminé et stable. 2. Dispositif selon la revendication 1, ca ractérisé en ce que la torsion que possède la fibre optique (1, 7, 13) est comprise entre 1 et 10 tours par mètre de fibre. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, ledit faisceau lumineux ayant un état de polarisation rectiligne et stable avant les premiers moyens (2) de polarisation, ces premiers moyens (28 et les seconds moyens (3) de polirisation consistent en deux lames quart d'onde, de façon que le faisceau lumineux ait un état de polarisation rectiligne et stable à la sortie desdits seconds moyens (3) de polarisation. 4. Disp;-sitif selon l'une quelconque des revendications 1 t 2, caractérisé en ce que, ledit faisceau lumineux ayant un état de polarisation elliptique et stable avant les premiers moyens (8) de polarisation, ces premiers moyens (8) et les seconds moyens (9) de pOla isation consistent en deux compensateurs biréfringents ajustés de telle façon que le faisceau lumineux ait un état de polarisation elliptique et stable à la sortie desdits seconds moyens (9) de polarisation. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 42 caractérisé en ce que ladite fibre optique (1, 7, 13) est monomode. 6. Système de transmission bidirectionnelle à fibre optique, du genre de ceux qui comprennent - un dispositif de transmission (13-14a-14b) par fibre optique et - de part et d'autre de celui-ci, deux ensembles d'émission et de réception (17a, 17b) de lumière po larisée, caractérisé en ce que ledit dispositif de transmission (13-14a-14b) par fibre optique est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à j.