Brevet FR2626367A1 — publié le 19890728

Capteur do itemporture multipoints à fibre opftique L'invention se rapporte à un capteur de température utilisant des fibres optiques et la propriété de elles-ei d'avoir une biréfúringence variable en fonction de Ia température. Une fibre monomode à conservation de polarisation lindaire est obtenue en créant une forte biréfringenee élasio-optique A partir d'une zone créant des contraintes Intrinsèques, dans une fibre monomode. Un exemple classique de telle fibre a la strueture suivante:-deux barreaux extrêmement dopés sont placés de chaque côté du coeur. Au fibrage, les différents verres sont d'abord visqueux puis se solldifient. En se refroidissant jusqu'à la température ambiante les barreaux dopés qui ont un coefficient de dilatation thermique bien supérieur à celui du reste de la strueture, se contractent et placent donc la région du coeur en contrainte d'extension. Par effet élasto-optique cette contrainte crée de la biréfringence. Cette biréfringenee est souvent définie par la longueur de battement LB, c'est-à-dire la Iongueur au bout de Iaquelle les polarisations suivant les deux axes neutres de la fibre, orthogonales, se sont déphasées de 2TRad. Cette longueur est typiquement de l'ordre de I à 5 mm. L'crigine de eette contrainte est donc le refroidissement de la structure inhomogène et dépend de Ia température. Cette dépendanee est de l'ordre de 10'3/ C. Le capteur de - température multipoints à fibre optique selon l'invention utilise cette propriété de variation de la biréfringence en fonction de la température pour p&emettre la mesure de température. Selon l'invention, -un capteur de température multipoints, à fibre optique est caractérisé en ee qu'il comporte: - une source optique à large bande, type diode super-luminescente par exemple, polarisée linéairement, qui peut être modulée en impulsions, u*ne fibre optique eapteur, monomode et biréfringente sur laquelle ont été oréés des points de coupIage faible loôalisés et espacés le long de la. fibre, et dont la face d'entrée est couplée à la source, l'axe de polarisation de la source étant aligné avec un axe neutre de la fibre, - des moyens de polarisation ôoupIls à la face de sortie de la fibre, pour aligner les polarisations des ondes transmises par la fibre, (et rendre possible leur interférence) ', - un dispositif d'analyse par spectroseopie couplé à la sortie des moyens de polarisation, pour analyser le rayonnement transmis et former la fonction de transmission du capteur, - et des moyens de traitement qui à partir de la fonction de transmission extraient les mesures des températures des segments de fibres entre points de couplage. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaitront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées. - La figure 1 est un sehéma illustrant le fonctionnement d'une fibre optique biréfringente en tant qu'interféromètre - La figure 2 représente la loi de transmission en fonction de l'inverse de la longueur d'onde d'un tel interféromètre - La figure 3 représente le spectre d'une source large et la loi de transmission en fonction dn l'inverse de la longueur d'onde, de l'interféromètre - La figure 4 Illustre les trains d'onde en sortie du polariseur placé en sortie d'une fibre capteur biréfringente comportant plusieurs points de couplage - La figure 5 représente un premier mode de réalisation du capteur selon I'invention - La figure 6 représente un second mode de réalisation du capteur- Selon I'invention. Si l'on considère une fibre optique dans laquelle la longueur de battement LB est égale à I mm, il y a 1000 LB pour I m de fibre, et lorsque la dépendance thermique de la biréfringence est 10 3P/C, une variation de! C prodluit une variation de déphasage en sortie entre les deux polarisations propres, égale à 21Rad et correspondant A un déplacement d'une frange si l'on crée des interférences entre ces deux ondes. Cet effet est done extrêmement sensible et peut être mesuré dans un montage interférométrique. Sur la figure 1 on a représenté une fibre optique monomode à conservation de polarisation, 1, pour laquelle la biréfringence est obtenue grâce à deux barreaux de contrainte 2, 3 fortement dopés qui déterminent les directions des deux axes neutres XX' et YY' de la fibre. Lorsqu'une telle fibre reçoit un rayonnement polarisé selon P, A 45a des axes neutres de la fibre, qui se répartit donc également entre le mode lent et le mode rapide correspondant aux deux axes neutres, la propagation des deux ondes se fait A des vitesses différentes du fait de la biréfringence. En sortie de la fibre les deux nmodes peuvent être recombinés au moyen d'un polariseur A 45. des axes neutres, suivant P. Dans un tel montage, comme dans un interféromètre classkique à deux chemins distincts, la puissance de sortie du rayonnement varie en fonétion du cosinus du déphasage entre les deux modes, et donc en fonction de la température. Ce système a également des propriétés de filtrage chromatique. En effet, s'il n'y avait pas de dispersion, la biréfringence créerait une différence de ehemin optique a I entre les deux modes propres, la lumière est transmise si A I = kX et éteinte si A1 = (2k+l) X/2, o ' est la longueur d'onde du rayonnement optique. La. loi de transmission correspondante en fonetion de 1/ est représentée sur la figure 2. Lorsque la biréfringence varie, la loi de transmission se décale: si le système est analysé avec une raie monochromatique de longueur d'onde 2o on retrouve le résultat selon lequel en faisant varier la biréfringence, la transmission A une longueur d'onde donnée ?O varie selon une loi sinusoïdale. o, Si au lieu d'une source monochromatique la source est A spectre large, les cannelures de la fonction de transmission seront beaucoup plus resserrées; A la sortie on obtient done le Àproduit de la loi de transmission cannelée par le speetre de Ia source, c'est-à-dire un spectre cannelé qui peut être analysé par toutes les méthodes classiques de spectroscopie: prisme dispersif, réseau, spectroscopie par transformée de Fouriler etc... Le speetre d'une source large bande et la loi de transmission eannelée sont représentés sur la figure 3, en fonction de 1/>X. La spectroscopie par transformée de Fourier en particulier utilise un interlféromètre dont on fait varier la différence de marehe; on retrouve un signal quand le décalage entre les deux bras de l'interféromètre correspond au pas des cannelures (dans l'espace des fréquences) c'est-Adire quand ce décealage compense celui du premier interféromètre dont on analyse la fonction de transmission. Du point de vue de l'analyse, placer deux interféromètres - de décalages similaires revilent A mettre en série deux filtres ayant des pas de cannelures identiques. Une petite variation du déphasage dans l'un ou l'autre des Interféromètres décale la position relative des cannelures: quand elles sont en coincidence Ia lumière passe, mais on a un minimum de transmission, quand elles sont en anti-coïncidence. Le capteur de température multipoints selon l'invention utilise une telle source A spectre large, polarisée linéairement, et modulée en impulsionscouplée à une. fibre monomodâ biréfringente, selon l'axe de biréfringence. Des points de couplage faible sont répartis le long de la fibre. Si le train d'onde est couplé dans le mode rapide en entrée, on aura en sortie un train d'onde resté dans le mode rapide, et une série de trains d'onde dans le mode lent créées aux différents points de coupIage. Les eouplages localisés répartis le long de - la fibre sont faibles pour pouvoir négliger les trains d'onde provenant de couplages multiples, par exemple le train d'onde -5 couplé en mode lent au premier point de couplage et recouplé' dans le mode rapide au point de couplage suivant etc... Un polariseur à 45 des axes neutres placé en sortie de la fibre permet de réaligner dans le même état de polarisation le train d'onde principal TOp et les trains d'onde couplés aux points M1, M2,... MI, respectivement TO1, TO2..., TO1. La figure 4 représente ces trains d'onde successivement déteetés en fonction du déplacement x d'un Interféromètre balayable. Le décalage entre le train d'onde principal TOp et un train d'onde, couplé soit TO1, est fonction de la biréfringence entre le point de couplage MI et l'extrémité de la fibre. Par différence, la distanee entre les trains d'onde TO1 et TOI 1 correspond à la biréfringence entre les points de eouplage Mi et Mi1!, elle-même fonction de la température du segment de fibre Mi Mi+I. L'intensité des couplages aux points de couplage MI n'intervient pas; seule compte Ia distance entre ces deux points, les décalages entre trains d'onde étant directement proportionnels aux écarts de température. Une solution particulière intéressante est d'avoir des points M régulièrement espacés. Ce système à plusieurs points de couplage présente une transmission avec des cannelures dans le spectre, les úréquenees spatiales des cannelures créées par lès différents points étant différentes. Les couplages étant faibles, l'extInction n'est pas complète, c'est-à-dire qu'on n'obtient jamais zéro dans la fonction de transmission. L'analyse de la fonction 'de transmission d'un tel "filtre" eomplexe permet done l'analyse de la biréfringenee, et donc dé la température de chaque segment Mi MI. Une méthode d'analyse par spectroscopie bien adaptée à. ce eas est l'utilisaUtion d'un interféromètre de Michelson, balayable. Pour réaliser les points de couplage, une méthode intéressante consiste à tordre la fibre érastiquement, puis à Ia chauffer localement au moyen d'un arc électrique, d'un ehalumeau, ou d'une source laser... La torsion se relache au point de chauffe, créant' ainsi une rotation des axes neutres et done un couplage localisé, sans pour autant induire de pertes S puisque le coeur de la fibre n'est pas Interrompu. La figure 5 'est un schéma d'un premier mode de réalisation du capteur de température multipoints A fibre optique selon l'invention. La source à spectre large 10 du type diode super-luminescente, polarisée linéairement par construction ou associée à un polariseur, est couplée, selon un axe de biréfringence, i'axe rapide par exemple A une fibre optique biréfringente 11 comportant un certain nombre de points de couplage faible, localisés, M1, 2... M1... Un polariseur 12 est coup6lé à Ia sortie de- la fibre à 45a des axes neutres de cette fibre, pour aligner les trains d'onde. La lumière issue de cee polariseur est alors transmise A un interféromètre de Michelson balayable comportant un élément séparateur 13 et deux miroirs de renvoi, 14 et 15 recevant respectivement les ondes transmises et réfléchies par le séparateur. L'un des miroirs 15 est déplaçable le long de l'axe optique du faiseeau qu'il reçoit, et ee déplacement - permet de faire apparaitre sur un détecteur 16 des maximum de la fonction de transmission dont l'espacement est comme indiqué ct-dessus, fonction de la -température. Un eireiilt de traitement, 17, transforme les déplacements en mesures de température. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit oi-dessus. En particulier, Il. peut être Intéressant d'éloigner la fibre eapteur des moyens de détection et de mesure 3'0 plutôt que de les placer en sortie de la fibre capteur. Pour cela, comme représenté sur la figure 6 o les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes repères, on connecte A la face de sortie de la fibre capteur 12 une fibre à conservatl6on de polarisation 18 dtaxe à 45 des axes neutres de Ia Libre capteur, et an plaee un polariseur 19 à I'extrémité de cette fibre de renvoi, aligné sur les axes neutres de la fibre à conservation de polarisation, l'ensemble formé par la fibre 18 et le polariseur 19 étant équivalent au polariseur 12 de la figure 5. Ce mode de réalisation permet de déporter la partie capteur fibre Il des moyens de détection et de mesure. Par ailleurs la source à speetre large peut être soit une diode super-luminescente dite "DSL" conmme Indiqué ci-dessus, soit une source laser dans laquelle on élargit le spectre artificiellement. Ce type de capteur de température peut fonctionner pour des températures variant entre -20 C et +100 C lorsque la fibre a un revêtement acrylate car il ne tiendrait pas des températures supérieures. Par contre pour des revêtements polyimide, la gamme de température peut être élargie à -10OC, +300 C, gamme dans laquelle les variations induites sont linéaires et sans hystérésis. D'autres revêtements adaptés doivent permettre d'élargir notablement la gamme de température. Pour obtenir de l'énergie mesurable on peut utiliser 100 points de couplage à 30dB par exemple, ce qui donne un millième de l'intensité- pour chaque remontée suivant le pulse principal dans lequel on retrouve à peu près 90% de l'énergie. La détection s'apparente à une détection cohérente oe une petite impulsion "bat" avee l'impulsion principale correspondant au train d'onde principal. Par exemple, une source de 100pW créant à un point de -couplage un couplage 0.,IW dans l'autre mode - suffit pour effectuer la détection dans de bonnes eonditions. Pour contrôler la température sur 20 m, il est possible d'espacer les points de coupiage de 20 em par exemple, ou pour contrôler la température sur 300 m d'espaoer les 100 points de couplage de 3m.. L'invention s'applique done notamment, miais pas exelusivement, au contrôle de la température sur de grandes longueurs ou dans des volumes. importants. Le décalage de l'interféromètre pour l'analyse de la loi de transmission peut être, avei 103 franges LB pour 1 m, 0,5 mmn pour un décalage d'une frange, soit.S cm pour en voir (du fait du trajet aller retour de la lumière via le miroir). L'inventidn n'est pas limitée aux modes de réalisation préeisément décrits.' Notamment les points de couplage pourraient être créés par d'autres méthodes pour autant qu'eils soient créés à des points' fxes, bien localisés et qu'ils ne détruisent pas la continuité du coeur de cette fibre. REVNICATIONS 1. Capteur de température multipoints, A fibre optique caractérisé en ee qu'il comnporte: - une source optique à large bande (10), type diode super-lumilnescente, polarisée linéairement, modulée en impulsions, - une fibre optique capteur (11), monomode et biré,ringente sur laquelle ont été créés des points de couplage faible localisés et espacés le long de la fibre, et dont la face d'entrée est couplée à la source, l'axe de polarisation de Ia source étant aligné avec un axe neutre de la fibre, des moyens de polarisation (12) couplés à la face de sortile de la fibre, pour aligner les polarisations des ondes transmises par la fibre, - un dispositif d'analyse par spectroscopie (13, 14, 15, 16) couplé à la sortie des moyens de polarisation, pour analyser le rayonnement transmis et former la fonction de transmission du capteur, - et des moyens de traitement qui à partir de la fonction de transmission extraient les mesures des températures des segments de fibres entre points de couplage. 2. Capteur selion la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de polarisation sont constitués d'un polariseur (12) à fibre, directement couplé à la fibre eapteur d'axe orienté à 45 des axes neutres de la fibre capteur. 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de polarisation comportent une fibre optique a conservation de poltrisatlon (18) couplée A la face de sortie de la fibre capteur (11), ses axes neutres étant orientés à 45 des axes de biréfringence de la fibre eapteur, et un polariseur de sortie (19), couplé à la fibre à conservation de polarisation, A d'axe confondu avee un axe neutre de cette fibre. 4. Capteulr selon l'une des revendications.1 à 3, earactérisé en ce que les points de couplage -localisés sont créés sur la flbre par torsion élastique puis chauffage local qui relâche la torsion. 5. Capteur selon l'une des revendieations 1 à 4 caraetérisé en ee que le dispositif d'analyse par spectroscopie est un nhlterféromwtre de Michelson dont un miroir de renvoi (18) est déplaçable le long de l'axe optique de rayonnement qu'i reçoit. 6. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les points de couplage sont régulitrement espacés, sur la fibre capteur (11).