Brevet FR2658603A1 — publié le 19910823

Procédé et dispositif pour l'acquisition à distance de grandeurs physiques. L'invention concerne l'acquisition à distance de grandeurs physiques. I1 est souvent utile d'acquérir à distance une grandeur physique, telle qu'elle existe en un ou plusieurs endroits distincts. Cette opération est délicate si ces endroits sont difficiles d'accès. Elle l'est encore plus s'il faut éviter le recours à une alimentation électrique, et/ou à des câblages multiples de transmission. Ce problème se pose notamment lorsqu'on souhaite mesurer la température et/ou la pression en divers points d'une structure en particulier un aéronef. L'invention vient proposer une solution sous la forme d'une combinaison nouvelle de moyens particulièrement satisfaisante. Un but de l'invention est de proposer des moyens permettant l'emploi, sur le lieu de mesure d'éléments simples, de petite taille, essentiellement passifs et de très haute fiabilité. Un autre but de l'invention est de permettre des mesures à distance de très bonne qualité. Le dispositif selon l'invention comprend à une première extrémité d'une fibre optique, un premier ensemble optique propre, d'une part, à injecter dans ladite fibre un signal optique de base issu d'un générateur et, d'autre part, à récupérer en retour un signal optique de retour pour le délivrer à des moyens d'analyse électrooptiques, et à une deuxième extrémité de la fibre, un deuxième ensemble optique propre, d'une part, à recevoir un signal optique incident polarisé émergeant de la fibre après transit dans celle-ci dudit signal optique de base, à le délivrer à des moyens de capture comportant un trait optique sensible à une grandeur physique locale et des moyens de conversion de polarisation optique, et, d'autre part, à injecter en retour dans la fibre ledit signal optique incident ainsi modifié par la capture; lesdits moyens d'analyse électrooptiques déterminent alors les caractéristiques de la grandeur physique, à partir du signal optique de retour, émergeant de la fibre optique après transit dans celle-ci du signal optique modifie. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, le premier ensemble optique comprend des premiers moyens formant circulateur optique, tels qu'un jeu de prismes à séparation de polarisation, disposés entre la première extrémité de la fibre optique, le générateur et les moyens d'analyse électrooptiques ; de même, le deuxième ensemble optique comprend des deuxièmes moyens formant circulateur optique disposés entre la deuxième extrémité de la fibre optique, l'entrée et la sortie des moyens de traitement. Un tel mode de réalisation permet notamment de réduire la perte de puissance dans la chaîne de transmission et d'augmenter ainsi le rapport signal/bruit. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après et des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de transmission selon l'invention, - la figure 2 est une représentation schématique plus détaillée d'un jeu de prismes à séparation de polarisation, - la figure 3 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de transmission selon l'invention, - la figure 4 illustre un mode de réalisation particulier de l'invention, et, - la figure 5 est un schéma mettant en lumière les avantages de l'invention. Les dessins comportent des éléments de caractère certain. A ce titre, ils font partie intégrante de la description et pourront non seulement servir à mieux faire comprendre la description détaillée ci-après mais aussi contribuer, le cas échéant, à la définition de l'invention. Dans la Demande de Brevet 89 14714, la Demanderesse a proproposé un procédé et un dispositif de transmission d'un signal électromagnétique dans une fibre optique. Elle a maintenant constaté que, convenablement modifié, le dispositif pouvait servir à la mesure à distance de grandeurs physiques telles que la température ou la pression, ces exemples n'étant pas limitatifs. Tel qu'illustré sur la figure 1, le dispositif comporte un premier système électrooptique 1 disposé à une première extrémité d'une fibre optique 3, en principe monomode, et, à la deuxième extrémité de cette fibre optique, un deuxième système électrooptique 2 disposé à l'endroit de mesure. Au seln de ce premier système électrooptique 1, est prévu un premier ensemble optique comportant des moyens 12 formant circulateur optique, désignés plus simplement dans la suite, sauf mention contraire, "circulateur optique", et que l'on détaillera ci-après. Ce circulateur optique possède une borne d'entrée propre à recevoir un signal optique de base SB, une borne d'entrée/sortie reliée à la première extrémité de la fibre optique, pour d'une part injecter dans ladite fibre le signal SB et recevoir un signal optique de retour SR aux fins de délivrance, par l'intermédiaire d'une borne de sortie, à des moyens d'analyse électrooptiques 13, tels qu'un photodétecteur. Le signal optique SB, de puissance constante, est issu d'un générateur 11 tel qu'une diode laser semi-conductrice. Le signal SB est donc un signal polarisé. A cet égard, bien qu'un tel signal optique soit généralement polarisé elliptiquement, on admettra ici, en raison de la faible puissance de la composante orthogonale de ce signal par rapport à la puissance optique totale, que le signal SB est polarisé linéairement, ce qui revient à accepter de perdre la puissance de ladite composante orthogonale. Au sein du deuxième système électrooptique 2, est également prévu un circulateur optique 22 dont la borne d'entrée/sor tie est propre à recevoir d'une part un signal optique SE émergeant après transit dans la fibre du signal de base, et, d'autre part, à réinjecter un signal optique modifié qui après transit inverse dans la fibre fournira le signal de retour SR. Le circulateur optique 22, de structure analogue à celle du circulateur optique 12, comporte une borne de sortie délivrant le signal émergeant SE à un capteur ou modulateur 24. Des moyens 25 de conversion orthogonale de polarisation optique, tels qu'une lame demi-onde, sont disposés en série entre la sortie du capteur 24 et la borne d'entrée du circulateur optique 22. Le capteur ou modulateur 24 comporte un trajet optique sensible à la grandeur à mesurer, soit par sa longueur, soit de préférence, par son indice optique de réfraction. Ainsi, on peut choisir un milieu dont l'indice optique est sensible à la température, ou à la pression, ce qui va moduler en conséquence la lumière transmise. En pratique, il convient de travailler en mode différentiel, et par exemple d'utiliser un modulateur de type Mach-Zehnder. L'un des bras de l'interféromètre est sensible à la température. L'autre, isolé, sert de référence. Le circulateur optique 22 comporte un jeu de deux prismes 22a et 22b à séparation de polarisation tel que celui disponible auprès de la Société des Etats-Unis MELLES GRIOT sous la référence 03 PBS (figure 2). Ces deux prismes sont solidarisés l'un à l'autre par leur face oblique respective (hypoténuse) et il est disposé au niveau de cette interface, un film multicouches diélectrique 22c. Un tel circulateur optique fonctionne en lumière parallèle. Des moyens de collimation MC, tels que des lentilles conver gentes, sont alors prévus entre l'extrémité de la fibre optique 3 et le circulateur, ou, éventuellement sur chaque accès du circulateur optique. La combinaison de la composition du film multicouches et de la valeur de l'angle d'incidence (ici 450) d'un faisceau lumineux atteignant l'interface du jeu de prismes permet de laisser passer, à travers les deux prismes, depuis la borne d'entrée/sortie ES jusqu'à la borne de sortie S, le signal émergeant SE que l'on suppose ici polarisé linéairement dans le plan de la figure. Ce signal SE, après avoir été modulé dans le capteur-modulateur 24 conserve la même polarisation linéaire et est amené sur la lame demi-onde 25. A des fins de simplification, les moyens optiques destinés à véhiculer les différents signaux à l'intérieur du système électrooptique 2 n'ont pas été représentés. On pourra par exemple ici utiliser à cet effet soit des miroirs soit une autre fibre optique. Après avoir traversé la lame demi-onde 25, le signal modifié SM est alors polarisé linéairement dans un plan perpendiculaire au plan de la figure 2. Ce signal, entrant par la borne d'entrée E du circulateur est alors renvoyé au niveau de l'interface des deux prismes à la borne d'entrée/sortie ES et donc réinjecté dans la fibre optique. On a représenté ici, pour une meilleure compréhension, des moyens de conversion orthogonale de polarisation optique distincts du circulateur 22. Cependant, on peut envisager un composant unique intégrant à la fois les fonctions de conversion de polarisation et celles de circulation optique. Le fonctionnement du dispositif est alors le suivant. Le signal de base polarisé SB, généré par la diode laser semi-conductrice est injecté à la première extrémité de la fibre optique. Le circulateur optique 22, récupère le signal émergeant SE, après transit dans la fibre du signal de base, et le délivre au modulateur 24. Celuici module le signal SE en fonction de la grandeur physique à mesurer. Le signal modulé SEM, ayant la même polarisation linéaire que le signal émergeant SE subit une conversion orthogonale de polarisation à l'aide de la lame demi-onde 25 et est réinjecté à la deuxième extrémité de la fibre optique par le circulateur 22. Ce signal modifié SM transite donc, en sens inverse, dans la fibre optique et le circulateur 12 récupère à la première extrémité le signal de retour SR après transit du signal SM.Ce signal de retour est alors délivré au photodétecteur 13, dont le signal de sortie reflète les variations de la grandeur mesurée, de préférence après mélange avec une réplique du signal de base, ramenée à la polarisation convenable. La combinaison de moyens ainsi décrite permet d'apporter une solution au problème posé. En effet, en utilisant une fibre optique de manière bidirectionnelle, il s'est avéré possible de n'implanter au sein du système électrooptique 2 que des composants passifs de faible coût et de haute fiabilité. De ce fait, il a été alors possible de regrouper à la première extrémité de la fibre optique, les éléments du dispositif nécessitant une attention plus particulière et un contrôle plus fréquent tel que le générateur de signal optique et les moyens d'analyse électrooptiques. De plus, l'utilisation de signaux optiques de polarisations différentes circulant en sens inverse au sein de la fibre, permet d'éviter des interférences entre ces différents signaux, diminue ainsi les pertes du dispositif et en augmente le rendement. Enfin, l'utilisation de circulateurs optiques, tels que des jeux de prismes à séparation de polarisation, permet de minimiser encore les pertes du dispositif et d'augmenter le rapport signal/bruit. Une variante de réalisation est illustrée sur la figure 3. Sur cette figure, les éléments analogues ou ayant une fonction analogue à ceux représentés sur la figure 1 ont des références augmentées de 100 ou affectées d'un ' par rapport à celles qu'ils avaient sur la figure 1. Seules les différences entre ces deux figures seront décrites. Dans cette variante, le générateur 110 comporte la diode laser semi-conductrice 110b précédée d'un oscillateur 110a de fréquence Fo propre à moduler le signal émis par la diode et délivrer un signal de base SB' polarisé et modulé. Bien entendu, on pourait utiliser, à la place d'un oscillateur 110a externe, une diode laser semi-conductrice propre à délivrer directement un signal modulé. On évite ainsi, l'utilisation en aval du photodétecteur 113 d'un mélangeur hyperfréquence. La figure 4 illustre une réalisation particulière intéressante. Après ia fibre 300, le collimateur MC et le circulateur optique 22, 2 lames semi-transparentes L1 et L4 et 2 miroirs L2 et L3 définissent un interféromètre de Mach-Zender dont l'un des bras (ici entre L3 et L4) contient un milieu MS dont l'indice optique est sensible à la grandeur à mesurer (température ou pression, en particulier). Après recombinaison sur la lame L4, le faisceau est réfléchi par le miroir M5 vers la lame demi-onde 25 et le circulateur optique 22. Avantageusement, l'interféromètre est ajusté pour que la figure d'interférences ainsi obtenue présente une sensiblité maximale. Une variante consiste à réaliser le mélange interférométrique au niveau du premier ensemble optique, et/ou à travailler en lumière modulée, de préférence cohérente ou quasicohérente (une raie d'excitation d'une lampe au Xenon, par exemple). Sur la figure 5, une même source S est reliée par un tronçon de fibre FO à un-commutateur électrooptique CEO, capable de l'interconnecter avec plusieurs fibres F01-F04, et plusieurs capteurs C1-C4. La source peut ainsi "interroger" une pluralité de capteurs passifs à travers un simple câblage à fibre optique. En variante du commutateur CEO, on utilise un déviateur acousto-optique placé en sortie de source, avant la ou les lentilles collimateur de coupalge aux fibres. La source peut alors être constituée de plusieurs diodes laser, ou d'une source quasi cohérente multispectrale, comme différentes raies d'une lampe au Xenon. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation ci-dessus décrits mais en embrasse toutes les variations notamment les suivantes - on pourrait utiliser à la place des jeux de prismes à séparation de polarisation, tout autre moyen formant circulateur optique; - on pourrait même éventuellement utiliser à la place de l'un et/ou l'autre des moyens formant circulateur optique, d'autres moyens tels que des coupleurs optiques classiques, notamment des guides d'onde en Y, associés à des isolateurs optiques.Cependant, une telle réalisation serait effectuée au détriment du rapport signal/bruit du dispositif puisque chacun de ces coupleurs occasionne une perte de puissance de 3 dB - on pourrait également envisager d'utiliser des signaux optiques polarisés circulairement ou elliptiquement. I1 conviendrait alors bien entendu d'adapter les différents ensembles optiques. - il est également possible d'utiliser un générateur de lumière non polarisée. Cependant, dans ce cas, il convient de placer à la sortie de celui-ci un polariseur - les moyens de conversion de polarisation réalisent ici une conversion orthogonale de polarisation. Cependant, il n'est pas exclu de faire circuler au sein de la fibre optique des signaux en sens inverse ayant des polarisations différentes mais non rigoureusement orthogonales entre elles. Dans un tel cas les performances du dispositif pourraient être amoindries; - on pourrait également envisager d'utiliser un capteur modulateur intégrant une fonction de conversion de polarisation ce qui aurait alors pour effet de simplifier le circulateur optique - il serait également possible de prévoir, dans certains cas, une fibre optique multimode, mais encore avec un risque d'amoindrissement des performances. Le multiplexage peut être spatial et/ou fréquentiel, avec plusieurs fibres, voire même une seule. Bien entendu, certains des moyens décrits ci-dessus peuvent être omis dans les variantes où ils ne servent pas. Revendications 1. - Dispositif pour l'acquisition à distance d'une grandeur physique, caractérisé en ce qu'il comprend, à une première extrémité d'une fibre optique (3), un premier ensemble optique (12) propre d'une part, à injecter dans ladite fibre un signal optique de base polarisé (SB) issu d'un générateur (11), et, d'autre part, à récupérer en retour un signal optique de retour (SR) pour le délivrer à des moyens d'analyse électrooptiques (13), et à une deuxième extrémité de la fibre, un deuxième ensemble optique (22) propre d'une part, à recevoir un signal optique polarisé (SE) émergeant de la fibre après transit dans celle-ci dudit signal optique de base, à le délivrer à des moyens de capture comportant un trajet optique sensible à la grandeur physique à mesurer et des moyens de conversion de polarisation optique (25), et, d'autre part, à injecter en retour dans la fibre ledit signal optique ainsi modifié, lesdits moyens d'analyse électrooptiques déterminant les caractéristiques de ladite grandeur physique, à partir du signal optique de retour, émergeant de la fibre après transit dans celle-ci dudit signal optique modifié. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier ensemble optique comprend des premiers moyens formant circulateur optique (12) disposés entre la première extrémité de la fibre optique, le générateur et les moyens d'analyse électrooptiques. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premiers moyens formant circulateur optique comprennent deux prismes à séparation de polarisation. 4. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le deuxième ensemble optique comprend des deuxièmes moyens formant circulateur optique (22) disposés entre la deuxième extrémité de la fibre optique, l'entrée et la sortie des moyens de capture. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens formant circulateur optique comprennent un jeu de deux prismes à séparation de polarisation. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les moyens de conversion de polarisation comprennent une lame demi-onde (25). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit générateur (11) génère un signal de base de puissance constante. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit générateur (110) comporte en outre un oscillateur (110 a) propre à moduler le signal optique de base. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un mélange du signal modulé par la grandeur physique. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le mélange est réalisé dans le second ensemble optique. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de capture comprennent un interféromètre dont l'un des bras est sensible à la grandeur physique, tandis que l'autre sert de référence, ce qui crée une figure d'interférences spatiales dépendant de la grandeur physique. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le bras sensible comprend un milieu dont l'indice optique varie en fonction de la grandeur physique, en particulier la température ou la pression. 13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les deux bras de l'interféromètre sont ajustés de sorte que, au repos, la figure d'interférométrie présente une sensibilité maximale. 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le mélange est réalisé dans le premier ensemble optique. 15. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que l'onde émise est modulée. 16. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un même premier ensemble optique peut interroger plusieurs seconds ensembles optiques, par multiplexage spatial ou fréquentiel.