Brevet FR2574194A1 — publié le 19860606

L'invention concerne les modulateurs électrooptiques. L'invention concerne plus particulièrement des modulateurs électro-optiques destines à être utilisés dans des milieux à haute température tels que le fond de sondages pour hydrocarbures ou de sondages géothermiques. Au cours des dernières années, la recherche, le développement et la mise en serv-zo de dispositifs et d'outils de diagraphie de puits, hautement sophistiqués, ont pris une large expansion. Ces dispositifs et outils surchargent la capacité de transmission de données des câbles classiques. Des câbles optiques pour diagraphie de puits ont été mis au point pour répondre aux exigences d'une plus grande capacité de transmission de données pour ces dispositifs très sophistiqués de diagraphie de puits. De plus, les progrès de l'exploration géothermique et les puits de pétrole et/ou de gaz très profonds ont fait apparaitre la nécessité de disposer de dispositifs et d'outils capables de supporter des températures plus élevées. Les données provenant de dispositifs classiques de diagraphie se présentent sous la forme d'impulsions électriques. Des diodes électroluminescentes ou des lasers sont couramment utilisés pour convertir les impulsions électriques en impulsions lumineuses qui sont transmises par la fibre optique. Cependant, ces sources de lumière ne conviennent généralement pas à une utilisation à des températures supérieures à environ 200"C. La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N" 285 146, déposée le 20 juillet 1981 résout ce problème en injectant la lumière dans la fibre à la surface et en utilisant des modulateurs de fond pour moduler soit l'amplitude, soit la phase de la lumière en fonction des signaux électriques reçus de l'outil de diagraphie de puits. Ce dispositif demande quatre cristaux pour la modulation d'amplitude. Le maintien de l'alignement est extrênent difficile pendant l'introduction dans un sondage et l'extraction hors du sondage qui pénètre dans une formation géothermique ou dans une formation contenant des hydrocarbures à haute température. De plus, il est également extrêmement difficile d'obtenir quatre cristaux uniformes ayant des coefficients de dilatation thermique, des paramètres de dopage et des puretés équivalents.Toute variation de ces paramètres entraîne une perte des signaux ou des modulations et des variations non uniformes des signaux. R. K. Swanson et collaborateurs proposent, dans "Feasibility Investigation and Design Study of Optical Well Logging Methods for High-Temperature Geothermal Wells", l'utilisation d'un modulateur à guide d'onde électro-optique comportant un cristal de tantalate de lithium, LiTaO3, en film mince. Bien que possible, cette configuration de guide d'onde ne convient qu'à un fonctionnement monomode de la fibre optique.Lorsque l'on augaeapq la longueur de la fibre optique que le signal doit parcourir, l'efficacité des couplages de sortie et d'entrée dans les fibres monomode impose des exigences de puissance irréalistes aux diodes électroluminescentes ou aux lasers nécessaires pour faire descendre le signal le long de la fibre optique, pour le faire passer dans le modulateur électro-optique et pour le faire revenir par la fibre optique jusqu'à la surface. Ces modulateurs à film mince élèvent la puissance demandée au dispositif, d'un facteur de l'ordre de 100 fois. Cette exigence dépasse la puissance disponible pour tout dispositif destine à des applications pratiques.En outre, ces modulateurs à cristal monomode et film mince sont extrêmement inefficaces car la plus grande partie de la lumière passant dans la fibre optique monomode est perdue du fait que le rendement du couplage dans le guide d'onde n'est que de l'ordre d'environ 1%. Ceci constitue une limitation critique car 51 la lumière ne peut traverser le cristal, elle ne peut alors être extraite pour rentrer dans une fibre de retour et être remontée le long du sondage. Il est donc souhaitable de disposer d'un modulateur électro-optique pour hautes températures qui n'exige pas l'alignement précis de quatre cristaux Il est en outre souhaitable de disposer d'un modulateur électro-optique pour hautes températures à utiliser en fond de sondage, qui n'exige pas plus d'un seul cristal afin d'éviter les problèmes de biréfringence due d la température. Il est également souhaitable de disposer d'un modulateur électro-optique qui comprend un cristal électro-optique dont le rendement croit iorsque la température s'élève et qui, de plus, présente une bonne stabilité à la température. En outre, il est souhaitable de disposer d'un modulateur électro-optique pour hautes températures pouvant fonctionner avec des fibres optiques multimodes. Il est en outre souhaitable de disposer d'un modulateur pouvant provoquer la modulation d'amplitude d'un signal lumineux d son passage à travers un seul cristal électrooptique. Le modulateur électro-optique à cristal unique selon l'invention présente les caractéristiques souhaitables indiquées ci-dessus et il apporte d'autres avantages et réalise d'autres objets qui apparaitront à l'homme de l'art. Le modulateur peut fonctionner dans tout milieu à haute température et plus particulièrement dans un connecteur de câble placé à distance entre l'extrémité inférieure d'un câble blindé de diagraphie à fibres optiques et un outil de diagraphie classique ou optique de puits. Un emplacement avantageux pour le modulateur est le logement, fermé hermétiquement, réservé aux circuits électroniques d'un assemblage de connecteur de câble tel que le connecteur décrit dans la demande de brevet des Etats Unis d'Amérique N" 623 855, déposée le 22 juin 1984 sous le titre "Cable Connector Assembly". L'amplitude d'un signal lumineux porteur à injecter dans une fibre optique à partir de la surface est modulée par le modulateur, proportionnellement aux données mesurées par l'outil de diagraphie de puits et renvoyées à la surface. Le modulateur électro-optique à cristal unique comporte des moyens destinés à focaliser la lumière émise à partir de l'extrémité de fond d'une fibre optique, en rayons parallèles devant passer à travers un moyen de polarisation de la lumière qui est placé sur le trajet des rayons parallèles avant que ces derniers entrent dans un cristal volumineux unique à structure cubique, stable à la température. Le cristal est positionné de manière que des faces opposées de ce cristal soient perpendiculaires au trajet de la lumière polarisée et que des électrodes soient fixées à d'autres faces àpposées. Les électrodes sont capables de provoquer- une modulation d'amplitude des rayons parallèles entrant dans une premier re surface perpendiculaire du cristal, en réponse aux mesures de l'outil de diagraphie de puits. Le modulateur comprend également un second moyen de polarisation placé sur le trajet optique des rayons parallèles émergeant du cristal et des moyens destinés à focaliser les rayons parallèles émergeant dudit second moyen pour les polariser vers un foyer. Une fibre optique de retour est placée au foyer et orientée de façon à permettre aux rayons focalisés de se trouver dans l'angle de réception de la fibre optique de retour. Dans le processus de modulation du signal* le modulateur est relié à l'extrémité d'un câble à fibre optique devant être soumis à des températures élevées telles que celles rencontrées dans le sondage d'un puits géothermique ou d'un puits pour hydrocarbures. Le modulateur est logé dans toute boite métallique classique, fermée hermétiquement. Des enceintes avantageuses, fermées hermétiquement sont décrites dans les demandes N" 285 146 et N" 623 855. Ensuite, un outil de diagraphie de puits, classique ou optique, est accouplé à l'extrémité opposée du connecteur relié au câble à fibre optique.A moins que l'outil de diagraphie de puits contienne sa propre source d'alimentation, le câble à fibre optique doit également contenir un nombre approprié de conducteurs électriques pour fournir l'énergie nécessaire, au fond, pour le fonctionnement de l'outil de diagraphie. Il est avantageux d'utiliser un outil qui effectue une diagraphie de neutrons, une diagraphie de résonance magnétique nucléaire, une diagraphie de résistivité et autres. Lorsque l'outil est introduit dans le sondage et qu'il descend, on procède à des mesures et les valeurs relevées sont codées en signaux électriques. De la lumière est injectée dans l'extrémité d'émission de la fibre optique å l'aide d'une source de lumière convenable, à savoir une diode électroluminescente ou un laser ou autre. La lumière sort de la fibre dans le logement pour électronique. fermé hermétiquement, et elle est focalisée par une lentille collimatrice convenable pour former une source de rayons parallèles qui passent à travers un polariseur et pénètrent dans le cristal, puis passent à travers un second filtre de polarisation et sont refocalisés par une lentille collimatrice convenable pour pénétrer dans une fibre optique de retour qui renvoie la lumière vers la surface. Les signaux électriques provenant des outils sont appliqués aux électrodes du cristal afin qu'ils modulent une tension à travers le cristal pour moduler l'amplitude de la lumière traversant le cristal et coder ainsi les signaux électriques en signaux optiques. Les seconds moyens de polarisation permettent de faire varier les quantités de lumière les traversant et renvoyées vers la surface par une fibre de retour. Un récepteur optique/électrique classique, situé à la surface, interprète le signal sous la forme d'un signal numérique binaire. Il est évident que des moyens analogiques peuvent être utilisés si cela est souhaité. En variante, pour des applications à des températures plus basses, la source de lumière peut être placée au fond et alimentée par une source d'énergie convenable. Bien que le modulateur pour hautes températures soit décrit dans son application à un sondage, il convient également à tout milieu à haute température. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est une coupe partielle d'un modulateur électro-optique à cristal unique volumineux conforme à l'invention. Un modulateur électro-optique 10 à cristal unique est illustré sur la figure. Le modulateur 10 est placé sur le trajet optique suivi par la lumière entre une fibre optique 12 de transmission, dans laquelle de la lumière de longueur d'onde appropriée est injectée, et une fibre optique 26 de retour. En variante, la fibre optique 26 peut être raccordée à la fibre optique 12 de manière qu'une seule fibre optique soit nécessaire dans le câble. Bien que les dimensions puissent être établies pour une fibre optique de toute taille, le modulateur 10 sera décrit dans son application à une fibre optique dont l'âme présente un diamètre d'environ 25 à 50 pm et dont l'ouverture est d'environ 0,2, avec un demi-angle de divergence d'environ 11,5 vers l'extérieur de l'extrémité d'émission 12b de la fibre optique 12. Le modulateur 10 s'étend sur avantageusement environ 60 mm de l'extrémi- té d'émission .12b à l'extrémité 26a de la fibre optique afin que plusieurs dispositifs puissent être montes dans un logement pour électronique de fond. La divergence du faisceau à l'intérieur du modulateur est avantageuse ment d'environ 1,25 milliradians. La source de lumière est de préférence une diode électroluminescente ou un laser émettant de la lumière dans la bande infrarouge, à une longueur d'onde d'environ 0,80 m à environ 1,5 pm et plus avantageusement d'environ 1,3 ijm. Des sources de lumière appropriées émettant de la lumière dans cette bande sont les lasers à arséniure de gallium. La lumière est injectée dans l'ex trémité de tête, non représentée, et un signal parcourt la fibre 12 et sort à l'extrémité opposée 12b. La lumière émise passe à travers un premier moyen 14 destiné à focaliser les rayons lumineux divergents pour les rendre parallèles. Des lentille convenables telles que des lentilles plan-convexes, biconvexes et autres sont utilisées. Une lentille appropriée de collimation est une lentille de 5 mm capable dè- focaliser la lumière en rayons parallèles formant un faisceau d'une largeur mesurant environ 2 mm. Les rayons lumineux paralleles passent à travers un premier élément 16 de polarisation placé sur le trajet optique des rayons parallèles conformément à l'angle de Brewster. Un élément convenable de polarisation est constitué de plaques en cristal ZnSe. Le nombre de plaques est déterminé par l'atténuation souhaitée et la purete de la lumière polarisée souhaitée.Quatre plaques de cristal ZnSe offrent un rendement de polarisation d'environ 90X. Des plaques appropriées ont un indice de réfraction d'environ 2,4, un rapport d'extinction de 10 à 1, des dimensions de plaquette d'environ 3 mm par 8 mm et elles sont orientées sous un angle deBrewster d'environ 67,40 Les rayons lumineux parallèles polarisés émergeant de l'élément de polarisation entrent dans un cristal électro-optique volumineux cubique unique 18 perpendiculairement à une face de ce cristal, celui ci étant placé sur le trajet optique des rayons parallèles. Un cristal volumineux est défini comme un cristal de dimensions suffisantes pour ne pas pouvoir fonctionner comme guide d'onde optique à longueur tonde unique, pour la longueur d'onde de la lumière concernée. Plus particulièrement, les dimensions du cristal sont supérieures de plusieurs ordres de grandeur le -long de son -axe, c'est-à-dire x, y et z, à la longueur d'onde d la lumière concernée. Des dimensions appropriées pour le cristal sont d'environ 2,5 mm x 2,5 mm x 30 mm. Des cristaux volumineux cubiques uniques avantageux sont des cristaux électro-optiques d'un composé binaire II-VI de type AB, tels que CdS, GaAs, ZnTe et CdTe. Le cristal est orienté comme illustré en 18a afin que K soit parallèle à l'axe [1l01,que E soit paraîlèlé ga- lement à l'axe [110] et que les électrodes 20a et 20b soient disposées sur les faces (110) paralleles opposées. Etant donné que les cristaux sont caciques, une orientation du cristal teile que K soit parallele à [1101 -ou [110] et que E soit parallèle à [1103 semble erre équivalente pour les fonctions prévues dans cette demande. Le cristal cubique simple doit poiror EtXe excité transversalement, c'est-à-dire que les électro- des 20a et 20b sont placées sur les faces (110) parallèles et opposées. De l'or constitue une matière appropriée pour les électrodes. Lors de l'application d'une tension entre les électrodes, la polarisation de la lumière tourne. Si elle est tournée de 90 , la lumière passe librement à travers un second élément 22 de polarisation. Ce second élément 22 de polarisation est de configuration et de réalisation similaires à- celles du premier élément 16 de polarisation, mais il est tourné de 90 par rapport à ce premier élément 16. Les flèches vues sur les premier et second éléments 16 et 22 de polarisation illustrent la rotation. Si la lumière est tournée de oe, elle ne passe pas à travers le modulateur 10. Par conséquent, ce dispositif est un modulateur à polarisation électrooptique. La variation de polarisation est changée en une modulation d'amplitude par le second élément 22 de polarisation, c'est-à-dire que cet élément forme un polariseur croisé avec le premier élément de polarisation. La quantité de lumière passant à travers le modulateur 10 et revenant dans la fibre 26 de retour est une fonction de l'amplitude de la rotation de la lumière sous l'application d'une tension entre les électrodes 20a et 20b. Les rayons parallèles sortant du cristal 18 traversent le second élément 22 de polarisation. Les rayons parallèles émergeant du second élément de polarisation sont refocalisés à travers une lentille 24 de focalisation similaire à la lentille 14, et dirigés par l'âme 26a de la fibre optique 26 pour être renvoyés vers la surface. En variante, les premier et second éléments de polarisation peuvent être configurés avec les électrodes de manière que, si la lumière est tournée de 90 , aucune lumière ne traverse le modulateur 10 et, si la lumière est tournée de 0 , toute la lumière passe. Parmi les cristaux cités, un cristal simple en tellurure de cadmium CdTe est le plus avantageux. Le CdTe ne présente pas de biréfringence induite par la température, en raison de la configuration cubique du réseau cristallin. Par conséquent, on peut permettre à la température de fluctuer de 10 C à 250"C sans limitation pourvu qu'il n'y ait pas de variations de température à travers le cristal lui-même. Le cristal peut fonctionner à des températures s'élevant à environ 2500C. En raison de la faible dimension demandée au cristal et de la température d'ensemble du milieu environnant dans un sondage, une température uniforme est rapidement établie à travers le cristal.De plus, un cristal CdTe ayant pour dimensions 2,5 mm x 2,5 mm x mm ne présente une capacité que de 2,0 picofarads et exige des électrodes capables d'appliquer une tension de polarisation de 60 volts, avec une tension de modulation de pointe de + 60 volts. La bande passante RF est d'environ 30 MHz et la puissance nominale appelée par le circuit modulateur n'est que d'environ 0,8 watt. En outre, le CdTe est opaque à la lumière de moins d'environ 1,2 pm et transparent à des longueurs d'ondes > 1,2 gm. Ceci facilite la mise en oeuvre du cristal. Des cristaux appropriés sont disponibles auprès de la firme Two-Six Corporation, Saxonburg, Pennsylvanie. Dans un mode opératoire avantageux, on place le modulateur électro-optique en cristal simple sur l'extrémité de fond d'une fibre optique blindée capable de faire descendre dans un sondage, jusqu'à un outil de diagraphie, de l'énergie et des signaux optiques. Les signaux électriques provenant de l'outil sont utilisés pour moduler la lumière passant à travers le cristal par l'application d'une tension entre. les électrodes 20a et 20b. L'utilisation de ce dispositif à cristal unique pose moins de problèmes d'alignement que celle des dispositifs à quatre cristaux et n'exige pas une limitation précise de la température, autrement que pour empêcher l'apparition de gradients de température à travers le cristal luimême. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au modulateur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, le modulateur convient à une utilisation dans tout milieu à haute température. De plus, il peut être configuré pour transmettre la totalité de la lumière injectée, sans qu'une tension soit appliquée aux électrodes, ou bien pour transmettre la totalité de la lumière injectée en appliquant une tension entre les électrodes. REVENDICATIONS 1. Modulateur électro-optique pour hautes températures, convenant à une utilisation dans un logement pour électronique, blindé et fermé hermétiquement, d'un connecteur de câble optique de diagraphie de puits, caractérisé en ce qu'il comporte un premier élément (14) de focalisation placé sur le trajet optique d'un signal lumineux énis par l'extrémité (12b) d'une fibre optique (12), ce premier élément de focalisation pouvant focaliser les rayons divergents du signal lumineux émergeant de ladite extrémité de la fibre optique afin de les rendre parallèles, un premier élément (16) de polarisation orienté selon un angle de Brewster sur le trajet optique des rayons parallèles émergeant du premier élément de focalisaticn, un cristal électro-optique volumineux unique (18) à struc- ture en réseau cubique binaire du type AB, stable à la température, placé sur le trajet optique-des rayons paral léles émergeant du premier élément de polarisation, ce cristal étant orienté de façon que les rayons parallèles se propagent avec Parallèle à l'axe Cio3 et ledit cristal présentant des faces parallèles -opposées deux à deux, des- élec- trodes (20a, 2Ob) en contact avec lesdites faces parallèles opposées (110), un second élément (22) de polarisation orienté selon un angle de Brewster sur le trajet optique des rayons parallèles émergeant du cristal et tourné de 900 par rapport au premier élément de polarisation, et un second élément (24) de focalisation placé sur le trajet optique des rayons parallèles et pouvant focaliser les rayons parallèles émergeant du second élément de polarisation vers un foyer (26a). 2. Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal unique est choisi dans ie groupe comprenant des cristaux de CdS, GaAs, ZnTe et CdTe. 3. Modulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premier et second éléments de polarisation sont constitués de quatre plaques de ZnSe, 4. Modulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre dans un milieu ayantune température variant entre environi0oC et 250pu. 5. Modulateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les plaques de ZnSe sont orientées sous un angle de Brewster d'environ 67,4 et disposées de façon à avoir un rendement d'environ 90% pour la polarisation des rayons lumineux parallèles. 6. Modulateur selon la revendication 5, caractérisé en ce qutil comporte en outre une fibre optique émet-trice (12) et une fibre optique de retour (26) dont le diamètre de l'âme est compris entre environ 25 et 50 pm et dont l'ouverture est d'environ 0,2, la fibre optique de retour étant. placée au foyer (26au du second élément de focalisation et dans l'angle de réception de ladite fibre optique. 7. Modulateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier élément de focalisation est placé de manière que le demi-angle du signal lumineux optique émergeant de la fibre optique d'émission soit d'environ 11,5 et que le signal lumineux soit collimaté en rayons parallèles ayant une largeur d'environ 2 mm. 8. Modulateur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre dans le milieu d'un sondage ayant une température variant entre environ 100 C et 250"C, et en ce que le signal lumineux présente une longueur d'onde d'environ 0,8 à 1,5 ijm. 9. Modulateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le cristal est un cristal de CdTe orienté de manière que K soit parallèle à l'axe [110] et E paral lèle à l'axe [1103 et que les électrodes soient disposées sur les faces parallèles (110). 10. Modulateur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens destinés à maintenir la température du cristal à moins de + 4"C de sa température maximale de travail quelle que soit la température du milieu ambiant. 11. Modulateur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens destinés à moduler une tension électrique appliquée aux électrodes, cette modulation pouvant communiquer une modulation d'amplitude auxdits rayons parallèles. 12. Modulateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que le signal lumineux présente une longueur d'onde d'environ 1,3 pm. 13. Modulateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de modulation peuvent appliquer une tension de polarisation d'environ 60 volts, avec une tension de pointe de modulation, pour une modulation à 50%, d'environ + 60 volts, ces moyens de modulation présentant une bande passante RF d'environ 30 MHz et demandant une puissance d'environ 0,8 watt. 14. Modulateur selon la revendication 13, caractérisé en ce que le signal lumineux injecté dans la fibre optique émettrice est un signal lumineux continu. 15. Modulateur électro-optique, pour hautes températures, pour la diagraphie de puits, caractérisé en ce qu'il comporte une fibre optique (12) destinée à transmettre un signal lumineux optique et ayant une âme d'environ 25 pm à 50 pm et une ouverture d'environ 0,2, cette fibre présentant une extrémité dans laquelle est injecté un signal lumineux optique d'une longueur d'onde comprise entre 0,8 et 1,5 pm, et une extrémtié d'émission (12b), une première lentille (14) de collimation destinée a focaliser le signal lumineux émergeant de ladite extrémité d'émission, en rayons parallèles, cette lentille ayant une distance focale d'environ 5 mm et étant configurée de façon à focaliser la lumière émergeant sous un angle de divergence d'environ 11,5 , en rayons parallèles formant un faisceau d'une largeur d'environ 2 mm, un premier groupe (16) de quatre plaques de polarisation en ZnSe orientées sous un angle de Brewster d'environ 67,4"C sur le trajet des rayons parallèles émergeant de la lentille de collimation, un cristal volumineux (18) en CdTe orienté de façon que la lumière de propagation K soit parallèle à l'axe [110] et que des électrodes (20a, 20b) soient appliquées sur les faces (110 )) des moyens destinés à moduler une tension appliquée entre les électrodes disposées sur le cristal, en réponse à un signal électrique induit correspondant à une amplitude de mesure effectuée sur une formation géologique encaissante, ces moyens pouvant moduler l'amplitude des rayons parallèles, un second groupe (22) de quatre plaques de polarisation en ZnSe orientées sous un angle de Brewster d'environ 67,4", mais tournées de 90" par rapport aux quatre premières plaques de polarisation en ZnSe et disposées sur le trajet des rayons parallèles émergeant du cristal, une seconde lentille (24) de collimation destinée à focaliser les rayons parallèles émergeant du second groupe de quatre plaques de polarisation en ZnSe vers un foyer (26a), et une fibre optique (26) de retour placée au foyer de la seconde lentille de collimation et positionnée à l'intérieur de l'angle de réception de la fibre optique, cette dernière ayant une âme d'environ 25 à 50 pm de diamètre. 16. Modulateur selon la revendication 15, caractérisé en ce que plusieurs modulateurs sont disposés dans le logement pour électronique d'un connecteur de câble et entre un câble optique blindé et un outil de diagraphie de puits. 17. Procéde pour transmettre des signaux électriques provenant d'un outil de diagraphie de puits, le long d'un câble optique, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter un signal lumineux continu dans une fibre optique et à le faire descendre dans un sondage de puits, à extraire le signal optique de ladite fibre, dans une cavité pour électronique disposée dans un connecteur de câble, entre le câble optique et un outil de diagraphie de puits, à faire passer ledit signal optique à travers une première lentille de collimation, un élément de polarisation, un cristal volumineux unique en CdTe, un second élément de polarisation, une seconde lentille de collimation et dans une fibre optique de retour, et à moduler les signaux optiques passant a travers le cristal de CdTe par l'application dlune tension å travers ce cristal, ladite modulation s'effectuant en réponse à des signaux électriques provenant de l'outil de diagraphie de puits.