Brevet FR2545946A1 — publié le 19841116

La présente invention concerne un atténuateur à fibres optiques, et plus particulièrement un atténuateur à fibres optiques en ligne ne comportant que deux éléments de fibre, à savoir une fibre biréfringente préservant la pola- risation, et une fibre à polarisation unique, dans lequel on règle le dégré d'atténuation en changeant simplement la biréfringence dans la fibre préservant la polarisation. L'invention est utilisable en tant qu'atténuateur optique en ligne, quefiltre optique en ligne ou que sonde de mesure de facteurs de biréfringence variables. Les atténuateurs à fibres optiques trouvent une grande variété d'utilisations et seront de plus en plus lar- gement utilisés au fur et à mesure du remplacement d'un nom- bre toujours croissant de systèmes de télécommunication électriques par des systèmes de télécommunication à fibres optiques A titre d'exemple, on utilise des atténuateurs à fibres dans le test de câbles à fibres optiques fabriqués, par comparaison de signaux se propageant dans diverses fibres En laboratoire, on peut employer des atténuateurs dans des dispositifs expérimentaux pour commander, par exemple, l'intensité d'un faisceau laser, lorsqu'une inten- sité prédéterminée est exigée On peut en outre utiliser des atténuateurs à fibres optiques avec un asservissement pour stabiliser leur signal de sortie, pour corriger des pertes de couplage et une dérive dans le faisceau de sortie, ce qui stabilise l'intensité du faisceau de sortie. Le brevet US 4 261 640 décrit une configuration d'atténuation de l'art antérieur, et concerne un atténuateur optique en ligne qui comprend un disque optique absorbant la lumière et deux sections de fibre, dans lequel la totalité de l'atténuation désirée est obtenue par l'exposition du film photographique formant le disque optique, à un degré suffisant pour produire une atténuation égale à l'atténua- tion désirée de la longueur simulée de fibre optique En fonctionnement, le disque doit être très mince, du fait que le faisceau lumineux tend à se disperser dans le disque lorsqu'il passe entre les extrémités des fibres qui lui sont fixées Si la dispersion est suffisamment grande, elle fait apparaître des longueurs de chemins multiples, avec la possibilité d'introduction de signaux multimodes dans la fibre optique réceptrice, ce qui crée une distorsion d'impulsion dans le chemin optique. Le brevet US 4 257 671 décrit une autre configura- tion de l'art antérieur Dans cette configuration, l'atté- nuateur comprend un élément atténuateur et deux lentilles planes à gradient d'indice, mutuellement alignées et sépa- rées par l'élément atténuateur L'élément atténuateur est formé par un milieu organique ou minéral qui est transpa- rent à la longueur d'onde des rayons lumineux et qui est dopé avec une ou plusieurs substances qui ont une bande d'absorption à la longueur d'onde employée L'utilisation des lentilles à gradient d'indice supprime un grand nombre des réflexions parasites associées à d'autres configurations de l'art antérieur - Le brevet US 4 145 110 décrit un connecteur pour fibres optiques qui peut être employé comme atténuateur en ligne L'atténuateur comprend ici un élément de connexion avec un alésage commun d'une taille telle qu'il puisse accepter deux fibres optiques placées bout à bout en pouvant coulisser sans jeu De façon générale, une fibre est mainte- nue en permanence dans l'élément de connexion, par exemple par sertissage ou collage, et l'autre fibre est déplacée par un élément de positionnement linéaire qui fait avancer et reculer la fibre en direction axiale pour augmenter et dimi- nuer la séparation entre les extrémités des deux fibres, ce qui augmente ou diminue l'atténuation Une telle configura- tion a cependant une possibilité limitée en ce qui concerne l'ajustement fin de l'atténuation, en liaison avec la nature mécanique de la procédure de réglage, et elle est extrême- ment sensible à de petites séparations, de l'ordre de quelques longueurs d'onde. Il demeure cependant un besoin, dans le domaine des atténuateurs à fibres optiques, concernant un atténua- teur à fibres optiques en ligne qui soit entièrement contenu dans la fibre elle-même, c'est-à-dire qui n'exige pas de composants externes volumineux, et qui puisse être ajusté aisément pour donner les diverses valeurs d'atténuation désirées. Le problème qui demeure dans l'art antérieur a été résolu conformément à l'invention, qui concerne un atténua- teur à fibres optiques en ligne et, plus particulièrement, un atténuateur à fibres optiques en ligne comportant seule- ment deux éléments de fibre, à savoir une fibre biréfrin- gente préservant la polarisation, et une fibre à polarisa- tion unique, dans lequel on règle le degré d'atténuation en changeant simplement la biréfringence dans la fibre préser- vant la polarisation. Un aspect de l'invention consiste en ce qu'elle procure un atténuateur en ligne qu'on peut régler de façon continue Conformément à l'invention, la fibre biréfringente préservant la polarisation fait fonction de lame ayant un nombre de longueurs d'onde variable, et la fibre à polarisa- tion unique fait fonction de polariseur On règle aisément l'état de biréfringence dans la section de fibre biréfrin- gente, par exemple par une traction (traction de la fibre dans la direction de sa longueur), une pression (pression hydrostatique uniforme ou serrage d'une partie de la fibre), ou par un chauffage d'une partie localisée de la section de fibre. Un autre aspect de l'invention consiste dans l'utilisation des propriétés inhérentes d'une fibre unimoda- le préservant la polarisation L'énergie optique provenant d'une source peut être amenée à n'importe quel emplacement désiré avec de faibles pertes, des propriétés de filtrage de mode, et pratiquement aucune déviation du faisceau La lumiè- re de sortie est polarisée de façon linéaire et peut être fixée à n'importe quel angle désiré L'atténuateur à fibres remplit donc simultanément les fonctions de nombreux compo- sants optiques discrets différents. Un autre aspect encore de l'invention consiste en ce qu'elle procure un filtre de Lyot en ligne, construit en mettant en cascade un ensemble d'atténuateurs formés confor- mément à l'invention, et on peut régler la caractéristique passe-bande du filtre de Lyot en réglant la biréfringence de chaque étage du filtre. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels des réfé- rences semblables désignent les éléments semblables sur les différentes figures, et sur lesquels: La figure 1 représente un exemple d'atténuateur à fibres optiques en ligne formé conformément à l'invention La figure 2 montre un diagramme de phase relatif au fonctionnement de l'exemple d'atténuateur à fibres opti- ques en ligne qui est représenté sur la figure 1; La figure 3 représente l'intensité de sortie mesu- rée en fonction du changement de biréfringence pour un exem- ple de réalisation de l'invention dans lequel le changement de biréfringence est produit en allongeant une section de fibre biréfringente; La figure 4 représente un exemple de filtre passe- bande de Lyot en ligne, à trois étages, formé conformément à l'invention; et La figure 5 représente un ensemble de courbes de transmission pour la configuration représentée sur la figure 4. La figure 1 montre la configuration de base d'un exemple d'atténuateur à fibres optiques en ligne, 10, formé conformément à l'invention L'atténuateur 10 comprend deux sections de fibre optique séparées, à savoir une fibre biré- fringente préservant la polarisation, 12, et une fibre à polarisation unique 14, et la section de fibre biréfringente 12 fait fonction de lame à nombre de longueurs d'onde varia- ble, tandis que la fibre à polarisation unique 14 fait fonc- tion de polariseur à fibre L'onde lumineuse à atténuer est appliquée en tant que signal d'entrée à la section biréfrin- gente 12, elle traverse la section biréfringente 12 et ensuite la fibre à polarisation unique 14, les sections 12 et 14 étant épissurées ensemble à un point S qui est repré- senté sur la figure 1 Comme il est représenté, un faisceau lumineux d'entrée est appliqué à la section de fibre 12, et la lumière de sortie atténuée apparaît à l'extrémité distan- te de la fibre à polarisation unique 14 Conformément à l'invention, des moyens de modification de biréfringence 16 sont placés en contact avec la section de fibre biréfringen- te 12 et ont pour fonction de changer la biréfringence de la section de fibre 12, par rapport à la biréfringence inhéren- te à la fibre étirée, le changement de biréfringence ayant la valeur prédéterminée nécessaire pour obtenir le niveau d'atténuation désiré à la sortie de la section de fibre 14. La figure 2 montre un diagramme de phase qui illustre le fonctionnement de l'atténuateur à fibres 10. Dans le fonctionnement de l'atténuateur 10, la section de fibre biréfringente 12 reçoit à l'entrée de la lumière laser polarisée de façon linéaire, par exemple à 450 par rapport aux axes principaux Ai et Bi, représentés sur la figure 2, ce qui excite de façon égale les deux modes orthogonaux Il faut noter que la lumière laser d'entrée peut avoir n'importe quel état de polarisation avec des composantes égales dans les directions des axes principaux Dans la mise en oeuvre de l'invention, on change de façon continue l'état de polarisation à la sortie de la section de fibre 12 en réglant la biréfringence dans la section de fibre 12 La section de fibre à polarisation unique 14 est épissurée à la section de fibre biréfringente 12 au point S, avec ses axes 2545 46 principaux, désignés par A 2 et B 2, tournés de 450 par rapport à ceux de la section de fibre biréfringente 12 La rotation de 450 au niveau de l'épissure S permet d'obtenir un signal transmis maximal et également une atténuation maxi- male, mais elle n'est pas essentielle à la mise en oeuvre de l'invention, du fait que n'importe quelle rotation au niveau de l'épissure S permettra encore de construire un atténua- teur variable qui présente une variation en relation avec la biréfringence existant dans la section de fibre 12 Pour des angles de rotation autres que 450, on peut encore obtenir la transmission maximale, mais non l'atténuation maximale, et inversement La section de fibre à polarisation unique 14 a la propriété de guider uniquement la lumière polarisée selon un seul axe, A 2; la lumière en polarisation orthogonale (B 2) est perdue par effet de tunnel Dans l'invention, lorsqu'on fait varier de façon continue la valeur de la biréfringence de la section de fibre 12, par les moyens de modification de biréfringence 16, on introduit un déphasage variant de façon continue entre les deux axes de l'onde lumineuse d'entrée. L'introduction d'un déphasage variable dans la section de fibre biréfringente 12, par les moyens de modifi- cation de biréfringence 16, fait également varier l'état de polarisation à l'épissure S, qui passe, lorsque la biréfrin- gence varie de façon continue, d'une polarisation linéaire dans la direction de l'axe de guidage de la section de fibre à polarisation unique 14, à une polarisation elliptique, puis circulaire, puis elliptique dans la direction de l'axe d'atténuation et enfin linéaire dans la direction de l'axe d'atténuation Lorsqu'on continue à changer la biréfringen- ce, l'état de polarisation passe à une polarisation ellipti- que dans la direction de l'axe d'atténuation, puis une pola- risation circulaire, puis une polarisation elliptique dans la direction de l'axe de guidage, et il revient enfin à une polarisation linéaire dans la direction de l'axe de guidage de la section de fibre à polarisation unique 14 Les moyens de modification de biréfringence 16 conformes à l'invention sont donc capables d'introduire n'importe quel état de pola- risation au niveau de l'épissure S. Les moyens de modification de biréfringence 16 peuvent comprendre n'importe quel dispositif capable de changer la valeur de la biréfringence dans une partie de la section de fibre biréfringeante 12 A titre d'exemple, les moyens 16 peuvent comprendre un dispositif destiné à intro- duire une tension dans la section de fibre biréfringente 12, une configuration consistant en un dispositif d'étirage com- prenant une paire de plaques dont l'écartement 1, représenté sur la figure 1, est commandé par un micromètre La figure 3 montre le signal de sortie mesuré d'une section d'un mètre de la fibre à polarisation unique 14, lorsqu'une longueur 1 de 10 cm d'une section de 80 cm de fibre biréfringente 12, ayant une longueur de battement d'environ 0,2 cm, est étirée axialement d'une quantité Al, exprimée en-micromètres La longueur de battement d'une fibre est définie comme étant la longueur qui donne une différence de phase de 21 r( 3600) entre des ondes qui se propagent le long des axes principaux. Comme le montre la figure 3, la différence entre la trans- mission maximale et la transmission minimale est d'environ d B Dans un dispositif considéré à titre d'exemple, la perte d'insertion était de 1,3 d B et résultait essentielle- ment de la perte de couplage à l'entrée de la section de fibre à polarisation unique 14. La puissance de sortie peut également être stabili- sée par réaction, en utilisant un détecteur de puissance approprié et un circuit de commande par réaction, commandant par exemple des moyens d'allongement 16 à micromètre comman- dés de façon piézoélectrique, pour étirer la fibre biréfrin- gente 12. Au lieu de consister en un dispositif d'allonge- ment de fibre, les moyens de modification de biréfringence 16 peuvent consister en un dispositif de chauffage à tempé- rature régulée, du fait que la biréfringence de la section de fibre 12 est également fonction de la température A titre d'exemple, une augmentation de température d'environ 150 K produit un changement de phase de 3600 à la sortie de la section de fibre 12 Les moyens de modification de biré- fringence peuvent en outre consister en un dispositif produi- sant une pression, qui a pour fonction de comprimer une par- tie de la section de fibre biréfringente 12, dans la direc- tion de l'un ou de l'autre des deux axes principaux de la section de fibre 12, ce qui a pour effet de changer la valeur de la biréfringence locale Par exemple, une force de N appliquée à une longueur de 10 cm de la section de fibre 12, ayant un diamètre caractéristique de 100 pm, pro- duit un changement de phase de 3600 entre des ondes qui se propagent selon les axes principaux On peut également uti- liser une pression hydrostatique appliquée de façon uniforme pour changer la valeur de la biréfringence locale de la sec- tion de fibre 12. Dans sa forme la plus simple, l'atténuateur 10 présente de nombreux avantages par rapport à des composants volumineux de l'art antérieur On peut faire varier l'atté- nuation sans qu'il n'y ait pratiquement aucun déplacement parasite du faisceau, et on a trouvé que des fibres utilisées conformément à l'invention supportent une puissance de plu- sieurs watts d'un laser à l'argon fonctionnant en régime con- tinu On peut faire varier aisément et de façon reproductible l'atténuation d'un atténuateur formé conformément à l'inven- tion du fait que, comme le montre la figure 3, il faut approximativement 150 pm d'allongement d'une longueur de fibre de 10 cm pour produire un changement passant par tous les états de polarisation possibles - Il faut noter qu'on peut aussi utiliser en sens inverse la procédure décrite ci-dessus En effet, du fait que l'atténuation de sortie d'un dispositif formé conformément à l'invention varie de manière continue en proportion de la valeur de biréfringence supplémentaire qui est introduite dans la section de fibre 12, on peut également utiliser un atténuateur optique en tant que capteur ou que sonde à fibres optiques en ligne En particulier, on peut utiliser un dispo- sitif formé conformément à l'invention pour détecter des variations de tension, de pression, de température ou de dimensions, ou n'importe quel autre paramètre capable de changer la biréfringence dans la section de fibre 12, en mesurant à la fois les intensités lumineuses de sortie et d'entrée, et en corrélant les mesures avec les valeurs obte- nues par un étalonnage préalable. Dans une autre utilisation de l'invention, on peut également employer un atténuateur 10 pour constituer un éta- ge d'un filtre de Lyot Ainsi, en alternant des longueurs appropriées de fibre préservant la polarisation, avec des sections de polariseur à fibre, on peut former un filtre passe-bande accordable qui peut être accordé par n'importe lequel des procédés de modification de biréfringence envisa- gés ci-dessus, conformément à l'invention La figure 4 montre un exemple de filtre de Lyot à trois étages, comportant trois atténuateurs à fibres optiques en ligne séparés, formés con- formément à l'invention Le premier étage du filtre comprend une section de fibre biréfringente 20 de longueur L et une section de polariseur à fibre 22, et les deux sections de fibre sont réunies au niveau d'une épissure A Dans la réa- lisation du filtre de Lyot, le fonctionnement correct des fibres exige que leurs axes de polarisation respectifs soient tournés de 450 au niveau de l'épissure A Le signal de sortie qui apparaît à l'extrémité de la section de fibre 22 est représenté sur la figure 5, qui montre la transmission en sortie en fonction de la longueur d'onde. Un second étage du filtre de Lyot comporte une sec- tion de fibre biréfringente 24 de longueur 2 L et une section de polariseur à fibre 26 La section de fibre 24 est réunie à la sortie de la section de polariseur à fibre 22 au niveau d'une épissure B, et la section de polariseur à fibre 26 est réunie à la section de fibre biréfringente 24 au niveau d'une épissure C Conformément au fonctionnement d'un filtre de Lyot, la longueur de la section de fibre 24 doit être le double de celle de la section de fibre 20 et, d'une façon générale, la longueur d'un étage donné est définie de façon empirique par l'équation: LN = 2 N-1, avec N = 1,2, ( 1) En outre, l'état de polarisation qui existe à l'épissure B doit être identique à celui qui existe au point A, ce qui fait que les axes de polarisation des sections de fibre biréfringentes 20 et 24 doivent être parallèles De plus, les axes de polarisation de la section de fibre 26 doivent présenter une rotation de 450 par rapport à ceux de la sec- tion de fibre 24 à l'épissure B, pour que le filtre fonction- ne de la façon la plus efficace La figure 5 montre également le signal de sortie du second étage du filtre de Lyot La courbe (c) de la figure 5 montre le signal de sortie pour un filtre de Lyot à deux étages conforme à la description ci-dessus. Un troisième étage du filtre de Lyot est formé par une section de fibre biréfringente 28 et par une section de polariseur à fibre 30 Conformément à l'équation ( 1), la fibre 28, qui est réunie à la section de polariseur à fibre 26 au niveau d'une épissure D, doit avoir une longueur 4 L, et ses axes de polarisation doivent également être parallè- les à ceux des sections de fibres biréfringentes 20 et 24. La section de polariseur à fibre 30 est réunie à la section de fibre 28 par une épissure E, au niveau de laquelle ses axes de polarisation présentent une rotation de 450 par rapport aux axes de polarisation de la section de fibre 28. La courbe (d) de la figure 5 montre la caractéristique de transmission du troisième étage du filtre de Lyot. Conformément au fonctionnement du filtre de Lyot, la longueur d'onde apparaissant à la sortie du troisième étage sera la seule longueur d'onde capable d'être transmise par l'ensemble des trois sections du filtre On peut voir ceci en se référant à la courbe (e) de la figure 5, c'est-àdire la courbe inférieure, qui représente la caractéristique de sortie d'un filtre de Lyot à trois étages formé avec les composants décrits cidessus Conformément à l'invention, on peut modifier la longueur d'onde qui est transmise par l'ensemble des trois étages, en changeant la biréfringence de chacune des sections de fibres biréfringentes 20, 24 et 28 Il faut également noter que pour que le filtre de Lyot fonctionne correctement, on doit changer de la même valeur la biréfringence de chaque section de fibre, c'est-à-dire que le même état de polarisation doit exister aux épissures A, C et E, afin que les trois étages transmettent tous la même longueur d'onde. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Atténuateur à fibres optiques comprenant une première section de fibre optique-et une seconde section de fibre optique connecté à la sortie de la première section de fibre optique, caractérisé en ce que la première section de fibre ( 12) est formée à partir d'une fibre biréfringente ayant une biréfringence connue, la seconde section de fibre ( 14) est formée à partir d'une fibre à polarisation unique, et des moyens de modification de biréfringence ( 16) sont en couplage avec la première section de fibre pour modifier la biréfringence connue de la première section de fibre, grâce à quoi une onde lumineuse d'entrée ayant traversé les pre- mière et seconde sections de fibre est atténuée en fonction de la modification de la biréfringence. 2 Atténuateur à fibres optiques selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que des moyens de stabilisa- tion à réaction sont connectés entre la sortie de la seconde section de fibre ( 14) et les moyens de modification de biréfringence ( 16) pour produire un signal de commande des- tiné à stabiliser la puissance de sortie de la seconde sec- tion de fibre. 3 Atténuateur à fibres optiques selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que la seconde section de fibre ( 14) est connectée à la première section de fibre ( 12) de façon à établir un degré de rotation prédéterminé entre un jeu d'axes principaux de la première section de fibre et un jeu d'axes principaux de la seconde section de fibre. 4 Atténuateur à fibres optiques selon la reven- dication 3, caractérisé en ce que la rotation entre le jeu d'axes principaux de la première section de fibre et le jeu d'axes principaux de la seconde section de fibre est de quarante-cinq degrés. Atténuateur à fibres optiques selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que lès moyens de modification de biréfringence ( 16) comprennent des moyens d'étirage desti- nés à créer une tension dirigée le long d'un axe longitudinal de la première section de fibre, pour changer ainsi la valeur de la biréfringence qui s'exerce sur l'onde lumineuse d'entrée appliquée à la première section de fibre, afin de donner une paire de composantes de l'onde lumineuse d'entrée à polarisation modifiée, qui sont transmises par les premiè- re et seconde sections de fibres. 6 Atténuateur à fibres optiques selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les moyens de modification de biréfringence comprennent des moyens d'application de pression destinés à changer la biréfringence dans une partie de la première section de fibre. 7 Atténuateur à fibres optiques selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que les moyens d'application de pression comprennent des moyens destinés à comprimer une partie de la première section de fibre, dans la direction de l'un des deux axes principaux de la première section de fibre. 8 Atténuateur à fibres optiques selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que les moyens d'application de pression comprennent des moyens destinés à appliquer unifor- mément une pression hydrostatique à la première section de fibre. 9 Atténuateur à fibres optiques selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les moyens de modification de biréfringence comprennent des moyens d'application de chaleur, destinés à commander la température de la première section de fibre. 10 Filtre passe-bande à fibresoptiquoeen ligne, comprenant un ensemble d'étages formés à partir d'un ensemble d'atténuateurs à fibres optiques branchés en cascade, chaque atténuateur optique comprenant une première section de fibre optique et une seconde section de fibre optique connectée à la sortie de la première section de fibre optique, caracté- risé en ce que la première section de fibre optique est formée à partir d'une fibre biréfringente ayant une biré- fringence connue, la seconde section de fibre est formée à partir d'une fibre à polarisation unique, et des moyens de modification de biréfringence sont en couplage avec la pre- mière section de fibre pour modifier la biréfringence con- nue, grâce à quoi une onde lumineuse traversant à la fois les première et seconde sections de fibres est atténuée en fonction de la modification de la biréfringence. 11 Filtre passe-bande à fibres optiques en ligne selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'ensemble d'atténuateurs à fibres optiques branchés en cascade sont formés de façon que la longueur de fibre de la première sec- tion de fibre de chaque étage soit déterminée conformément à l'équation LN = 2 N Loq dans laquelle L O est la longueur de la première section de fibre du premier étage du filtre passe-bande à fibres optiques en ligne. 12 Filtre passe-bande à fibres optiques en ligne selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque seconde section de fibre est connectée à la première section de fibre associée de façon qu'il existe une rotation de quarante-cinq degrés entre un jeu d'axes principaux de la première section de fibre et un jeu d'axes principaux de la seconde section de fibre. 13 Filtre passe-bande à fibres optiques en ligne selon la revendicaiton 10, caractérisé en ce qu'au moins un moyen de modification de biréfringence consiste en un moyen d'étirage destiné à créer une tension dirigée selon un axe longitudinal de la première section de fibre associée. 14 Filtre passe-bande à fibres optiques en ligne selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins un moyen de modification de biréfringence comprend un moyen d'application de pression destiné à changer la biréfringence dans une partie de la première section de fibre associée. Filtre passe-bande à fibres optiques en ligne selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens d'application de pression comprennent des moyens destinés à comprimer une partie de la première section de fibre dans la direction de l'un des deux axes principaux de la première section de fibre. 16 Filtre passe-bande à fibres optiques en ligne selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens d'application de pression comprennent des moyens destinés à appliquer uniformément une pression hydrostatique à la pre- mière section de fibre. 17 Filtre passe-bande à fibres optiques en ligne selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins un moyen de modification de biréfringence consiste en un moyen d'application de chaleur destiné à commander la température de la première section de fibre.