Brevet FR2670023A1 — publié le 19920605

DISPOSITIF POUR COMBINER OU SEPARER DES ONDES ELECTROMAGNETIQUES DE POLARISATIONS PERPENDICULAIRES ENTRE ELLES, DISPOSITIF AMPLIFICATEUR ET DISPOSITIF DE DETECTION COHERENTE COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF DE COMBINAISON OU DE SEPARATION. Description La présente invention concerne un dispositif pour combiner ou séparer des ondes électromagnétiques de polarisations perpendiculaires entre elles, un dispositif amplificateur et un dispositif de détection cohérente comprenant un tel dispositif de combinaison ou de séparation. Elle s'applique au domaine de l'optique guidée, notamment pour les télécommunications. Pour combiner ou séparer des ondes électromagnétiques de polarisations perpendiculaires entre elles, on connaît un premier dispositif représenté schématiquement sur la figure 1. Ce dispositif comprend une première fibre optique 10 qui permet la propagation sensiblement sans perte d'une onde électromagnétique pour une direction de polarisation déterminée ; dans l'exemple représenté, la polarisation est parallèle au plan de la feuille supportant la figure (polarisation p). Une seconde fibre optique 12 permet la propagation sensiblement sans perte d'une onde électromagnétique pour une direction de polarisation perpendiculaire à la direction privilégiée de la première fibre 10 ; dans l'exemple représenté, la polarisation est perpendiculaire au plan de la feuille supportant la figure (polarisation s). Les ondes se propageant dans chaque fibre 10, 12 sont divergentes en sortie. Les lentilles 14, 16 permettent de rendre parallèles les faisceaux lumineux issus des fibres 10, 12. Les extrémités des fibres optiques 10, 12 sont placées à 900 l'une de l'autre. Un prisme de Glan 18 permet de combiner les faisceaux rendus parallèles par les lentilles 14, 16 en réfléchissant le faisceau de polarisation p et en transmettant le faisceau de polarisation s. Une lentille 20 permet de focaliser le faisceau combiné pour son introduction dans une fibre optique 22. La description précédente est donnée pour la combinaison de deux faisceaux polarisés perpendiculairement entre eux, mais on comprend qu'il peut être utilisé dans le sens inverse, pour la séparation de faisceaux polarisés perpendiculairement entre eux se propageant dans la fibre optique 22. Ce dispositif est massif ; le guidage des ondes électromagnétiques est rompu en sortie des fibres optiques, et des lentilles sont nécessaires pour rendre parallèles les faisceaux divergents. Le dispositif comprend un grand nombre d'éléments qui doivent être alignés avec soin et précision, lors d'une opération difficile et souvent longue. Les faces de tous les éléments (extrémités des fibres optiques, lentilles, prismes de Glan) doivent subir un traitement antireflet pour éviter les pertes par réflexion. Ce traitement augmente considérablement le coût du dispositif. Ces inconvénients rendent malcommode l'utilisation de ce dispositif. On connaît un autre dispositif pour le couplage ou la sép-aration de faisceaux lumineux polarisés perpendiculairement entre eux. Ce dispositif est constitué d'un assemblage de deux fibres optiques reliées entre elles en X. Les fibres optiques formant les branches du X sont à conservation de polarisation. Les fibres subissent un polissage latéral, le plan de polissage ayant une orientation bien définie par rapport aux axes de propagation de la fibre Le composant est obtenu par assemblage des deux parties résultantes. Les deux fibres de sortie permettent la propagation des ondes électromagnétiques quelle que soit La polarisation. Ce polissage qui doit être précis, rend la réalisation du dispositif tong et coûteux. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif pour traiter des ondes électromagnétiques de polarisations perpendiculaires entre elles, pour les coupler ou les séparer, et quiest simple à mettre en oeuvre et peu coûteux. De manière plus précise, la présente invention concerne un dispositif pour combiner ou séparer des ondes électromagnétiques de polarisations perpendiculaires entre elles, comprenant un premier guide pour la propagation d'une première onde électromagnétique de polarisation rectiligne déterminée, un deuxième guide pour la propagation d'une deuxième onde électromagnétique de polarisation rectiligne perpendiculaire à la polarisation de la première onde électromagnétique, un troisième guide pour la propagation d'une onde électromagnétique indépendamment de la direction de sa polarisation, un filtre possédant un coefficient de réflexion sensiblement égal à 0 pour une première direction de polarisation rectiligne déterminée et sensiblement égal à 1 pour une seconde direction de polarisation rectiligne perpendiculaire à la première direction de polarisation pour une longueur d'onde donnée et une orientation donnée par rapport à une onde incidente, ce filtre étant disposé à une extrémité de chacun des guides. Les guides peuvent être des fibres optiques ou des guides intégrés dans un substrat. Le dispositif de l'invention ne nécessite pas de mise en oeuvre délicate, les ajustements entre les différents guides étant plus simples que dans les dispositifs connus jusqu'alors. Lors de la transmission sur un long trajet d'un signal optique par L'intermédiaire d'un guide optique, il est parfois nécessaire d'amplifier ce signal pour compenser les pertes intervenant lors de la propagation. On utilise alors des fibres amplificatrices placées sur Le parcours optique. Ces fibres amplificatrices, comme tout amplificateur, nécessitent un apport d'énergie qu'elles transmettent au signal. L'apport d'énergie est effectué par un pompage optique d'un matériau dopant la fibre, grâce à l'introduction dans la fibre amplificatrice d'un faisceau Lumineux de grande énergie et de longueur d'onde inférieure à celle du signal optique. L'utilisation d'une source lumineuse puissante, telle une diode, pose des problèmes de fiabilité et de stabiLité. C'est pourquoi, on combine pLusieurs faisceaux lumineux issus de plusieurs sources stables et fiables, mais de puissance moindre. Le dispositif pour combiner des faisceaux lumineux de polarisations perpendiculaires entre elles permet d'amener simplement L'énergie pour le pompage optique d'un guide d'onde amplificateur. La présente invention concerne donc un dispositif amplificateur comportant un dispositif pour combiner des ondes électromagnétiques de polarisations perpendiculaires entre elles tel que décrit précédemment, un moyen pour multipLexer une onde issue du troisième guide et un signal optique à amplifier, un guide optique amplificateur connecté en sortie du moyen pour multiplexer, une première source apte à délivrer une onde électromagnétique à une extrémité du premier guide, cette onde étant polarisée rectilignement de manière à pouvoir se propager dans le premier guide et possédant une longueur d'onde apte au pompage optique du guide amplificateur, une seconde source apte à délivrer une onde électromagnétique à une extrémité du second guide, cette onde étant polarisée recti lignement de manière à pouvoir se propager dans le second guide, et possédant une longueur d'onde apte au pompage optique du guide amplificateur. L'invention a aussi pour objet un dispositif de détection cohérente. On sait que pour améliorer le rapport signal/bruit d'une détection, on peut corréler le signal, support de l'information, avec un signal de référence issu d'un oscillateur local. Pour cela, il est nécessaire que le signal de référence possède une même longueur d'onde, une même phase et une même polarisation que le signal support de l'information. Or, au cours de sa propagation, la polarisation de ce dernier fluctue et se déforme. Par exemple, une polarisation rectiligne devient elliptique, et les battements obtenus lors de la corrélation sont de faible amplitude. Comme on va le voir, un dispositif de séparation d'ondes de polarisations perpendiculaires entre elles tel que présenté ci-dessus permet la détection cohérente d'un signaL dont la polarisation s'est déformée au cours de sa transmission. De plus, on peut obtenir une information redondante qui permet de s'assurer de la fiabilité de La détection. L'invention concerne donc un dispositif de détection cohérente comprenant : un dispositif pour la séparation d'ondes électromagnétiques de polarisations perpendiculaires entre elles tel que décrit précédemment, au moins un osciLlateur local apte à délivrer une onde électromagnétique de longueur d'onde, de phase et de polarisation identique à la longueur d'onde, la phase et la polarisation de L'une des ondes pouvant se propager dans L'un des premier et second guides, pour chaque oscillateur Local, un coupleur connecté par une première entrée à celui des premier et second guides considéré et par une seconde entrée à un guide pour la transmission de L'onde délivrée par ledit oscillateur Local, cette transmission n'introduisant pas de déformation sensible de la polarisation, pour chaque coupleur, un guide de sortie connecté en sortie du coupleur considéré, pour chaque guide de sortie, un détecteur apte à la détection des battements entre les ondes se propageant dans ledit guide de sortie. Les caractéristiques et avantages de L'invention apparaîtront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1, déjà décrit et relative à l'art antérieur, représente schématiquement un dispositif pour combiner ou séparer des ondes éLectromagnétiques de polarisations perpendiculaires entre elles ; - la figure 2 représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention pour combiner ou séparer des ondes électromagnétiques de polarisations perpendiculaires entre elles ; - la figure 3 représente schématiquement les variations du coefficient de réflexion en fonction de la longueur d'onde d'un filtre utilisé dans l'invention ; - la figure 4 représente schématiquement une variante de réalisation d'un dispositif conforme à L'invention ;; - la figure 5 représente schématiquement un dispositif amplificateur conforme à L'invention ; - la figure 6 représente schématiquement un dispositif de détection cohérente conforme à l'invention. La figure 2 représente schématiquement une vue de dessus d'un dispositif, conforme à L'invention, pour combiner ou séparer des ondes élecromagnétiques de polarisations perpendiculaires entre elles. Dans cet exemple de réalisation, un support 24, par exemple en élastomère, comporte une rainure 26 en forme de T. Trois fibres optiques 28, 30, 32 (seules leurs extrémités sont représentées) sont disposées dans cette rainure 26. Ces fibres optiques 28, 30, 32 sont dépourvues de gaine protectrice. La première fibre optique 28 est du type "à conservation de polarisation" pour une polarisation dirigée parallèlement au plan de la feuille supportant la figure (polarisation p). La seconde fibre optique 30 est aussi du type "à conservation de polarisation1, pour une polarisation dirigée perpendiculairement au plan de la feuille supportant la figure (polarisation s). La troisième fibre optique 32 peut être une fibre monomode standard : elle permet la propagation d'une onde lumineuse indépendamment de la direction de sa polarisation. Dans l'exemple de réalisation représenté, un fiLtre 34 est déposé sur L'extrémité de la troisième fibre optique 32 qui est biseautée à 450 ; L'angle d'incidence que fait un faisceau lumineu x sortant de la fibre 32 avec le filtre 34 est donc égal à 450. Le filtre 34 disposé à L'extrémité de la troisième fibre 32 est placé à l'interconnexion des branches de la rainure 26 de sorte qu'il est aussi à proximité des extrémités des première et deuxième fibres 28, 30. De plus, l'extrémité de la première fibre 28 est biseautée à 450 de manière à s'adapter à L'extrémité de la troisième fibre 32. Le filtre 34 est réalisé par le dépôt de couches minces superposées suivant toute technique connue. Il présente un coefficient de réflexion R qui dépend de la polarisation pour une longueur d'onde et une orientation données par rapport à une onde incidente. Comme on l'a vu, l'incidence des faisceaux entrant ou sortant de L'une quelconque des fibres 28, 30, 32 par rapport au filtre 34 est de 450 dans cet exemple. Les fibres optiques 28, 30, 32 étant jointives ou quasi jointives, aucune optique d'adaptation n'est nécessaire. La figure 3 représente schématiquement les variations du coefficient de réflexion R du filtre 34 en fonction de la longueur d'onde Xo. On voit que pour une longueur d'onde Xo égale par exemple à 1,48 micron (et pour une incidence égale à 450) les variations du coefficient de réflexion du filtre 34 sont différentes pour une polarisation s et une polarisation p. Si ces variations présentent une forme de marche dans les deusx cas, R passe brutalement d'environ 0 à environ 1 pour une valeur voisine mais inférieure à Xo dans le cas d'une polarisation s alors que R passe brutalement d'environ 0 à environ 1 pour une valeur voisine mais supérieure à X0 dans le cas d'une polarisation p.En définitive, pour une longueur d'onde égale à X0, R vaut sensiblement 1 pour un faisceau lumineux ayant une polarisation s alors qu'il est sensiblement égal à 0 pour un faisceau lumineux ayant une polarisation p. A nouveau en référence à la figure 1, on comprend qu'une onde électromagnétique de polarisation p se propageant dans la première fibre optique 28 est transmise intégralement par le filtre 34 et pénètre dans La fibre optique 32 directement sans que le guidage soit interrompu. De manière analogue, une onde électromagnétique de polarisation s se propageant dans la seconde fibre optique 30 est réfléchie intégralement par le filtre 34 (après avoir traversé un tronçon de la troisième fibre optique 32) sans que le guidage soit interrompu. La description qui est donnée ci-dessus concerne la combinaison de deux ondes de polarisations s et p, mais on comprend aisément que le dispositif peut être utilisé en sens inverse pour la séparation en deux ondes d'une onde se propageant dans la fibre 32 et ayant une composante de polarisation s et une composante de polarisation p. Les fibres 28, 30, 32 une fois positionnées dans la rainure 26 sont maintenues par collage. Pour cela, elles sont noyées dans une colle fluide sensible aux rayonnements U.V. et plaquées en position sous l'effet d'une plaque de verre 36 posée sur le support 24. On soumet ensuite l'ensemble aux rayonnements U.V. qui durcissent la colle. Dans une variante de réalisation représentée schématiquement sur la figure 4, le dispositif est intégré sur un substrat 38, par exemple en verre. Des guides d'ondes 40, 42, 44 sont intégrés dans le substrat 38, par diffusion de titane par exemple. Comme précédemment, le premier guide 40 permet la seule propagation d'une onde de polarisation p alors que le second guide 42 permet la seule propagation d'une onde de polarisation s. Le guide 44 est apte à la propagation d'une onde quelle que soit sa polarisation. Les guides d'onde 40, 42, 44 sont aussi disposés en forme de T, le guide 44 est dans le prolongement du guide 40 et le guide 44 est perpendiculaire aux deux autres, son extrémité débouchant au niveau des extrémités des guides 40 et 44. Un espace en forme de caisson sépare les extrémités des guides 40 et 44. Ce caisson contient un filtre 46 de caractéristiques identiques à celles décrites en référence à la figure 3. Le filtre 46 est réalisé par exemple par le dépôt d'un nombre pair de couches alternées sur un substrat de verre ; la formule du dépôt est du type : verre H B H B ... B verre où H représente une couche de matériau de haut indice et B une couche de matériau de bas indice. Pour une application à 1,45 gm sous une incidence de 450, on réalisera un empilement alterné de sulfure de zinc et de cryolithe de 14 couches dont les épaisseurs mécaniques sont les suivantes : o 1603 A pour le sulfure de zinc o 2788 A pour la cryolithe Un mode de réalisation de ce type de filtre est décrit dans la revue Journal of OPTICS de 1986 (volume 17, n01, pages 43 à 52). On voit sur la figure 4 que le caisson est incliné de manière à ce que le filtre fasse un angle de 45C avec chaque guide d'onde. La figure 5 représente schématiquement un dispositif amplificateur conforme à l'invention et utilisant un dispositif pour combiner deux ondes électromagnétiques de polarisations perpendiculaires entre elles du type de celui représenté sur la figure 2 ; les références de la figure 2 sont donc reprises. Une première source lumineuse 48, par exemple une diode laser, du type de celle commercialisée par la Société OKI sous la référence OL352A-20, délivre une onde électromagnétique de polarisation p en entrée de la première fibre optique 28. Une seconde source lumineuse 50, par exemple une diode laser, du même type que précédemment, délivre une onde électromagnétique de polarisation s en entrée de la seconde fibre optique 30. La longueur d'onde de ces faisceaux lumineux peut être par exemple égale à 1,48 micron et la puissance moyenne de chaque faisceau est environ égale à une dizaine de mW. Grâce à la transmission et la réflexion respective de l'un et l'autre faisceaux par le filtre 34, une combinaison des deux faisceaux se propage dans la troisième fibre optique 32 qui est couplée en sortie à une première entrée d'un multiplexeur optique 52 par exemple du type de celui commercialisé par La Société ATI sous la référence MUXOPTIC. La fibre de ligne 54 qui amène le signal à amplifier est connectée à une seconde entrée du multiplexeur optique 52. Le signal possède une longueur d'onde égale par exemple à 1,55 micron. Une fibre amplificatrice 56 est connectée en sortie du multiplexeur optique 52. Les faisceaux lumineux délivrés par la fibre 32 sont utilisés pour le pompage optique de la fibre amplificatrice 56 de sorte que le signal soit amplifié lors de sa propagation dans la fibre amplificatrice. La figure 6 représente schématiquement un dispositif de détection cohérente conforme à L'invention utilisant un dispositif pour séparer des composantes de polarisations perpendiculaires entre elles du type de celui représenté sur la figure 2 ; les références de la figure 2 sont donc reprises. Au cours, d'une propagation dans une fibre optique standard, la polarisation d'un signal fluctue autour de la direction privilégiée constituée par la polarisation initiale. Cette déformation transforme par exemple une polarisation rectiligne en polarisation elliptique. Dans le dispositif représenté sur la figure 6, la fibre 32 constitue la fibre de ligne dans laquelle se propage le signal. A la traversée du filtre 34, la composante de polarisation p est transmise dans la fibre optique 28 alors que la composante de polarisation s est réfléchie dans la fibre 30. Ces composantes sont délivrées sur les entrées de coupleurs, respectivement référencées 58p et 58s, du type de ceux commercialisés par la Société PHOTONETICS sous la référence PHCP. Chaque coupleur possède une seconde entrée à laquelle est connectée une fibre optique 60s, 60p suffisamment courte pour que la polarisation d'une onde ne se modifie pas lors de la propagation. Deux oscillateurs locaux 62s, 62p délivrent des signaux lumineux de référence sur les entrées des fibres 60s et 60p. Ces signaux de référence possèdent une polarisation déterminée, p pour le signal issu de l'oscillateur 62p, s pour celui issu de l'oscillateur 62s, une longueur d'onde et une phase identiques à celles du signal à détecter. On obtient ainsi dans les fibres de sortie 64s, 64p reliées aux sorties respectives des coupleurs 58s, 58p, des battements entre la composante du signal de polarisation s ou p avec le signal de référence de même polarisation. Ces battements sont détectés par des détecteurs 66s et 66p disposés respectivement en sortie des fibres 64s, 64p. Les signaux électriques délivrés par les détecteurs sont ensuite traités par des moyens de traitement non représentés. La détection réalisée par les détecteurs 66p et 66s est redondante et permet d'assurer ta fiabilité de la détection. L'invention ne se limite nullement aux exemples de réalisation plus spécialement décrits et représentés ; elle en admet au contraire toutes les variantes. En particulier, pour le dispositif de combinaison ou de séparation d'ondes électromagnétiques de polarisations perpendiculaires entre elles les angles entre les différents guides d'entrée et de sortie peuvent être différents de 0 ou 90". De même, l'orientation du filtre peut être différente de celle présentée en exemple et l'angle d'incidence des ondes électromagnétiques peut être différent de 450. Une autre application de l'invention est la réalisation d'un polariseur optique fibré. En effet, dans la figure 2, l'ensemble fibre 32, filtre 34 et fibre 28 constitue un polariseur optique. Quelle que soit la direction de polarisation de L'onde incidente qui est présente à L'entrée de la fibre 32, seule une direction de polarisation est transmise sur la fibre 28 ; on obtient ainsi en sortie une onde polarisée linéaire. Revendications 1. Dispositif pour combiner ou séparer des ondes électromagnétiques de polarisations perpendiculaires entre elles, caractérisé en ce qu il comprend - un premier guide (28, 40) pour la propagation d'une première onde électromagnétique de polarisation rectiligne déterminée, - un deuxième guide (30, 42) pour la propagation d'une deuxième onde électromagnétique de polarisation rectiligne perpendiculaire à la polarisation de La première onde électromagnétique, - un troisième guide (32, 44) pour La propagation d'une onde électromagnétique indépendamment de la direction de sa polarisation, - un filtre (34, 46) possédant un coefficient de réflexion sensiblement égal à 0 pour une première direction de polarisation rectiligne déterminée et sensiblement égal à 1 pour une seconde direction de polarisation rectiligne perpendiculaire à la première direction de polarisation pour une longueur d'onde donnée et une orientation donnée par rapport à une onde incidente, ce filtre (34, 46) étant disposé à une extrémité de chacun des guides. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier, second et troisième guides (28, 30, 32) sont des fibres optiques 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le filtre (34) est constitué de couches optiques déposées sur une extrémité d'une des fibres optiques (28, 30, 32). 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il constitue un polariseur optique à fibres. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les extrémités des fibres sont maintenues par collage dans une rainure (26) pratiquée à cet effet dans un support (24). 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est intégré. 7. Dispositif amplificateur, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif conforme à L'une des revendications 1 à 6, un moyen (52) pour multiplexer une onde issue du troisième guide (32) et un signal optique à amplifier, un guide optique amplificateur (56) connecté en sortie du moyen (52) pour multiplexer, une première source (48) apte à délivrer une onde éLectromagnétique à une extrémité du premier guide (28), cette onde étant polarisée rectilignement de manière à pouvoir se propager dans le premier guide (28) et possédant une longueur d'onde apte au pompage optique du guide amplificateur (56), une seconde source (50) apte à délivrer une onde électromagnétique à une extrémité du second guide (30), cette onde étant polarisée rectilignement de manière à pouvoir se propager dans le second guide (30), et possédant une longueur d'onde apte au pompage optique du guide amplificateur (56). 8. Dispositif de détection cohérente, caractérisé en ce qu'il comprend : un dispositif pour la séparation d'ondes électromagnétiques de polarisations perpendiculaires entre elles conforme à L'une quelconque des revendications 1 à 6, au moins un oscillateur local (62s, 62p) apte à délivrer une onde électromagnétique de longueur d'onde, de phase et de polarisation identiques à la longueur d'onde, la phase et la polarisation de l'une des ondes pouvant se propager dans l'un des premier et second guides (28, 30), pour chaque oscillateur local (62s, 62p), un coupleur (58s, 58p) connecté par une première entrée à celui des premier et second guides (28, 30) considéré et par une seconde entrée à un guide (60s, 60p) pour la transmission de L'onde délivrée par ledit oscilLateur local (62s, 62p), cette transmission n'introduisant pas de déformation sensible de la polarisation, pour chaque coupleur (58s, 58p), un guide de sortie (64s, 64p) connecté en sortie du coupleur (58s, 58p) considéré, pour chaque guide de sortie (64s, 64p), un détecteur (66s, 66p) apte à la détection des battements entre les ondes se propageant dans ledit guide de sortie (64s, 64p) considéré.