Brevet FR2663482A1 — publié le 19911220

La présente invention concerne le traitement par mélange optique utilisé pour la détection hétérodyne, et en particulier elle concerne une forme de mélange qui n'est pas sensible aux différences entre l'état de polarisation du signal transmis lorsqu'il est reçu et celui d'un signal d'un oscillateur local avec lequel le signal transmis subit un traitement hétérodyne. Un exemple d'une telle détection est connu déjà d'après l'article de L D Tzeng et al intitulé "Polarization-Insensitive cohérent receiver using a double balanced optical hybrid system", TU 12, Proc OFC 1988, après-midi de mardi/32 Le mélangeur optique de Tzeng et al utilise un coupleur à fibre de 3 d B qui est insensible à une polarisation unique, deux répartiteurs de faisceau polarisants et deux organes de réglage de polarisation, destinés à donner quatre signaux optiques de sortie pour la détection par deux paires équilibrées de détecteurs La présente invention concerne un traitement par mélange optique hétérodyne insensible à la polarisation et mettant en oeuvre deux éléments biréfringents et un seul réparti- teur de faisceau, ce répartiteur étant du type polarisant. L'invention concerne un mélangeur optique destiné à la détection hétérodyne d'un signal émis à une première fréquence optique qui est reçue d'un emplacement éloigné, le mélangeur mettant en oeuvre un signal d'oscillateur local à une seconde fréquence différente de la première, le mélangeur comprenant un répartiteur de faisceau de type polarisant ayant deux voies d'entrée et deux voies de sortie, les voies de sortie étant couplées optiquement respectivement à une paire d'éléments biréfringents, la biréfringence de chacun des éléments biréfringents étant telle que la composante d'un signal transmis lancé dans l'une des voies d'entrée du répartiteur de faisceau polari- sant pénètre dans cet élément, et que la composante d'un signal d'oscillateur local lancé dans l'autre voie d'entrée du répartiteur de faisceau et qui pénètrent dans cet élément, sortent de cet élément avec des états de polarisa- tion qui se correspondent pratiquement. L'invention concerne aussi un récepteur optique hétérodyne insensible à la polarisation, destiné à mélanger un signal émis à une première fréquence optique, reçu d'un emplacement éloigné, à un signal d'oscillateur local ayant une seconde fréquence différente de la première, le récep- teur comprenant un répartiteur de faisceau polarisant qui a deux voies d'entrée destinées à recevoir respectivement le signal émis et le signal d'oscillateur local, et deux voies de sortie, et il a deux états principaux de polarisation orthogonaux mutuellement qui sont les états de polarisation possédés respectivement par les signaux apparaissant séparément aux deux voies de sortie lors de l'application d'un signal à l'une quelconque des voies d'entrée, les deux voies de sortie du répartiteur de faisceau polarisant étant couplées respectivement, par l'intermédiaire de deux éléments biréfringents, à deux photodétecteurs, d'une manière telle que l'orientation de chaque élément biréfrin- gent est telle que la représentation de son axe propre sur une sphère de Poincaré est pratiquement perpendiculaire à l'axe de la sphère qui passe par les points représentant l'état principal de polarisation du répartiteur de faisceau polarisant, la longueur de chaque élément biréfringent étant telle que les signaux transmis et d'oscillateur local sortent de cet élément avec des états de polarisation qui se correspondent pratiquement. L'invention concerne aussi un procédé de détection hétérodyne optique dans lequel un signal transmis à une première fréquence optique, reçu d'un emplacement éloigné, subit un traitement hétérodyne avec un signal d'oscillateur local à une seconde fréquence différente de la première, les signaux transmis et d'oscillateur local étant appliqués à un répartiteur de faisceau polarisant qui a deux voies d'entrée et deux voies de sortie, et qui a une paire d'états principaux de polarisation qui sont perpendicu- laires et qui sont les états respectifs de polarisation des signaux apparaissant séparément aux deux voies de sortie à la suite de l'application d'un signal à l'une quelconque des voies d'entrée, le signal transmis étant appliqué à l'une des voies d'entrée alors que le signal de l'oscilla- teur local est appliqué à l'autre des voies d'entrée avec un état de polarisation tel que le signal de l'oscillateur local est réparti de manière pratiquement égale entre les deux voies de sortie, les composantes résultantes polari- sées orthogonalement des signaux transmis et d'oscillateur local sortant de chaque voie de sortie étant transmises à un photodétecteur associé à cette voie de sortie par l'intermédiaire d'un élément biréfringent associé, l'orien- tation de chaque élément biréfringent étant telle que la représentation de son axe propre sur une sphère de Poincaré est pratiquement perpendiculaire à l'axe de la sphère qui passe par les points représentant les états principaux de polarisation du répartiteur de faisceau polarisant, la longueur de chaque élément biréfringent étant telle que les composantes polarisées orthogonalement des signaux transmis et de l'oscillateur local pénétrant dans cet élément biréfringent quittent l'élément avec des états de polarisa- tion qui se correspondent pratiquement. D'autres caractéristiques et avantages du mélange optique insensible à la polarisation, permettant la détec- tion hétérodyne selon l'invention, ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est un diagramme synoptique du mélangeur optique, de l'oscillateur local et d'une paire de détec- teurs; et la figure 2 est un schéma représentant une sphère de Poincaré. On se réfère d'abord à la figure 1; un répartiteur de faisceau polarisant ayant deux voies d'entrée 11, 12 et deux voies de sortie 13, 14, a sa voie d'entrée 11 connectée afin qu'elle reçoive, d'un emplacement distant, le signal émis destiné à être détecté de manière cohérente. La voie d'entrée 12 est connectée afin qu'elle reçoive un signal d'oscillateur local d'un laser 15 par l'intermé- diaire d'un organe 16 d'ajustement de l'état de polarisa- tion Le répartiteur 10 de faisceau résout la lumière qui est appliquée à l'une ou l'autre voie d'entrée en deux composantes polarisées orthogonalement, à la sortie du faisceau par des voies de sortie 13 et 14 Ces deux états de polarisation sont les états principaux de polarisation du répartiteur de faisceau Le répartiteur de faisceau 10 est avantageusement un répartiteur de faisceau à fibre optique fondue effilée, par exemple formé d'une fibre à biréfringence élevée et conservation de polarisation. L'organe de réglage de polarisation, qui peut être consti- tué par une ou plusieurs boucles d'une fibre optique monomode circulairement symétrique classique, est ajusté afin que la puissance optique du laser 15 soit répartie de manière sensiblement égale entre les deux voies de sortie 13 et 14. La composante de l'oscillateur local apparaissant à la voie de sortie 13 est polarisée orthogonalement par rapport à la composante de l'oscillateur local apparaissant à la voie de sortie 14 et, de même, les deux composantes de transmission sont polarisées orthogonalement l'une par rapport à l'autre Il s'agit de la fonction principale du répartiteur de faisceau polarisant En outre, la composante de l'oscillateur local apparaissant à la voie de sortie 13 est polarisée orthogonalement par rapport à la composante de transmission apparaissant dans cette voie de sortie. Ceci est dû au fait que les deux composantes sont dérivées de signaux lancés dans des voies opposées d'entrée Pour la même raison, les composantes de l'oscillateur local et transmises à la voie de sortie 14 sont polarisées orthogo- nalement Les voies de sortie 13 et 14 sont respectivement couplées optiquement à une paire de photodétecteurs adaptés 17 et 18, mais il n'existe aucun point de connexion direct puisque les composantes polarisées orthogonalement n'interfèrent pas Il est nécessaire dans tous les cas d'assurer un ajustement différentiel de l'état de polarisa- tion des composantes du signal de l'oscillateur local et du signal transmis afin que la paire de signaux ait pratique- ment le même état de polarisation Ces ajustements diffé- rentiels sont réalisés par connexion des voies de sortie 13 et 14 aux photodiodes respectives 17 et 18 par l'intermé- diaire d'éléments biréfringents 19 et 20. Sur la sphère de Poincaré de la figure 2, le lieu de tous les états possibles de polarisation linéaire est donné par le grand cercle équatorial passant par les points H, Q, V et P, alors que les états polarisés circulairement à gauche et à droite sont représentés respectivement par les deux pôles L et R Lors du passage dans un élément biré- fringent, l'état de polarisation de la lumière évolue de manière qui est représentée sur la sphère de Poincaré comme une rotation autour d'un axe de la sphère passant par les états propres de cet élément biréfringent Les états propres sont les deux états polarisés orthogonalement qui sont transmis par l'élément sans changement de l'état de polarisation La lumière à une longueur d'onde donnée quelconque se propageant dans un élément biréfringent particulier correspond au déphasage introduit par l'élément entre la lumière à cette longueur d'onde, se propageant dans l'élément avec son état de polarisation qui coïncide avec un état propre, et celle qui se propage avec son état de polarisation qui coïncide avec l'autre état propre La rotation dépend ainsi de l'épaisseur (longueur) de l'élé- ment, de l'intensité de sa biréfringence, et de la longueur d'onde de la lumière Dans le cas d'un élément uniaxe d'épaisseur d, la longueur du trajet optique de l'élément est égale à N Ed pour la lumière de l'un des états princi- paux de polarisation (état propre) et N O d pour la lumière de l'autre La différence de trajet optique est ainsi égale à (n E-n O)d et la différence de phase optique est égale à 2 n(n E-n O)d/X Dans le cas d'un exemple de cristal uniaxe (n E-n O) ne dépend que faiblement de la longueur d'onde si bien que, dans les plages normales de longueurs d'onde de travail, cette dépendance avec la longueur d'onde est trop faible pour être significative si bien que la différence de phase, et en conséquence la rotation sur la sphère de Poincaré, est en fait inversement proportionnelle à la longueur d'onde. Les deux états principaux de polarisation du répar- titeur de faisceau polarisant 10 sont des états de polari- sation linéaire orthogonaux De manière générale, ces deux états principaux de polarisation peuvent être représentés par les points P et Q sur la sphère de Poincaré de la figure 2 Si les éléments biréfringents 19 et 20 peuvent provoquer l'évolution des états de polarisation correspon- dant aux points P et Q vers une position dans laquelle les états de polarisation sont les mêmes, il est manifeste que les axes propres de ces éléments doivent se trouver dans le plan contenant L, V, R et H si bien que l'évolution s'ef- fectue autour d'un grand cercle passant par P et Q Dans le cas d'éléments biréfringents présentant une biréfringence linéaire (c'est-à-dire que les états propres de polarisa- tion sont des états linéaires), les états propres doivent donc correspondre aux points H et V Ces éléments peuvent commodément être constitués par des tronçons d'une fibre de biréfringence élevée, capable de conserver la polarisation. Si le répartiteur de faisceau 10 est aussi formé d'une fibre capable de conserver la polarisation, l'orientation relative convenable des états principaux de polarisation du répartiteur et des états propres des tronçons de fibre constituant les éléments biréfringents est obtenue par raccordement des fibres des éléments biréfringents aux voies respectives de sortie du répartiteur de faisceau 10 avec des plans principaux de polarisation des fibres des éléments biréfringents à 450 des plans correspondants des fibres des voies de sortie du répartiteur de faisceau. Lorsque la lumière est lancée de l'une des voies de sortie du répartiteur de faisceau 10 dans l'élément biré- fringent linéaire associé, les états de polarisation de la composante de l'oscillateur local et de la composante transmise évoluent autour du même grand cercle passant par P, L, Q et R Les états de polarisation des deux compo- santes partent de points diamétralement opposés P et Q mais, du fait des longueurs d'onde légèrement différentes, les deux vitesses d'évolution sont légèrement différentes si bien que l'une d'elles rattrape finalement l'autre, et elles deviennent alors adaptées La longueur de fibre à biréfringence élevée juste suffisante pour l'obtention de cet effet de rattrapage dépend de l'intensité de la biré- fringence de la fibre et de la relation entre les longueurs d'onde et les fréquences des signaux de l'oscillateur local et transmis. L'intensité de la biréfringence d'une fibre de biréfringence élevée est souvent exprimée par sa longueur de battement, cette longueur étant la longueur de fibre donnant une différence de trajet optique d'une longueur d'onde pour la lumière se propageant dans les deux plans principaux de la fibre l'intensité de la biréfringence a la même forme de dépendance avec la longueur d'onde qu'un exemple de cristal uniaxe, et la longueur de battement B d'une fibre particulière est donc proportionnelle à la longueur d'onde X B = k A k étant une constante de proportionnalité caractérisant l'intensité de la biréfringence de cette fibre. Les états de polarisation des composantes transmises et de l'oscillateur local se correspondent lorsque le nombre de longueurs de battement x, pour la composante de l'oscillateur local, diffère de la moitié d'une longueur de battement de celle de la composante transmise (x n'est pas obligatoirement un nombre entier, et en général il ne l'est pas) Si x longueurs de battement Bl à une fréquence F 1 et une longueur d'onde X 1 sont utilisées dans un tronçon physique de fibre de longueur d et si (x+ 1/2) longueurs de battement B 2 à une fréquence F 2 et une longueur d'onde 2 sont utilisées dans la même fibre, on a alors d = x B 1 = xk X 1 = xkc/f 1 et d = (x+ 1/2)B 2 = (x+ 1/2)k X 2 = (x+ 1/2)kc/f 2 c étant la vitesse de la lumière. En conséquence, (f 1-f 2) = xkc/d-(x+ 1/2)kc/d et d = kc/2 (f 2-f 1). Ainsi, pour une fibre ayant une longueur de batte- ment d'environ 1 mm à une longueur d'onde de 1,5 pm, la longueur que doit avoir la fibre pour transmettre les signaux de l'oscillateur local et transmis, séparés en fréquence par 10 G Hz avec le même état de polarisation, est d'environ 100 m. Dans une variante de l'utilisation d'éléments présentant une biréfringence linéaire, pour les éléments 19 et 20 de la figure 1, il est manifeste d'après la sphère de Poincaré de la figure 2 que, en principe, il est possible d'utiliser des éléments ayant des états propres correspon- dant aux pôles L et R de la sphère, c'est-à-dire des éléments ayant une biréfringence circulaire (activité optique) La biréfringence circulaire peut par exemple être induite dans une fibre monomode à symétrie circulaire classique par retordage Les possibilités d'utilisation en pratique de ce type de biréfringence dans un exemple particulier de circonstances dépendent de l'obtention d'une longueur de battement suffisamment courte, couplée à une dépendance suffisante avec la longueur d'onde. REVENDICATIONS 1 Mélangeur optique destiné à la détection hétéro- dyne d'un signal transmis à une première fréquence optique, ce signal provenant d'un emplacement éloigné, le mélangeur mettant en oeuvre un signal d'un oscillateur local à une seconde fréquence optique différente de la première, ledit mélangeur étant caractérisé en ce qu'il comporte un répar- titeur de faisceau polarisant ( 10) ayant deux voies d'en- trée ( 11, 12) et deux voies de sortie ( 13, 14), ces der- nières étant couplées optiquement respectivement à deux éléments biréfringents ( 19, 20), la biréfringence de chacun des éléments biréfringents étant telle que la composante d'un signal transmis lancé par l'une des deux voies d'en- trée du répartiteur qui pénètre dans l'élément et la composante d'un signal d'oscillateur local lancé par l'autre voie d'entrée du répartiteur et qui pénètre dans l'élément sortent de cet élément avec des états de polari- sation qui se correspondent pratiquement. 2 Mélangeur optique destiné à la détection hétéro- dyne d'un signal émis à une première fréquence optique, provenant d'un emplacement éloigné, le mélangeur mettant en oeuvre un signal d'un oscillateur local à une seconde fréquence optique différente de la première, le mélangeur optique étant caractérisé en ce qu'il comprend un réparti- teur de faisceau polarisant ( 10) ayant deux voies d'entrée ( 11, 12) destinées à recevoir respectivement le signal transmis et le signal d'oscillateur local, et deux voies de sortie ( 13, 14), et il a deux états principaux orthogonaux de polarisation qui sont les états de polarisation possédés par les signaux apparaissant séparément aux deux voies de sortie à la suite de l'application d'un signal à l'une ou l'autre des voies d'entrée, les deux voies de sortie ( 13, 14) étant couplées optiquement à des éléments biréfringents respectifs ( 19, 20), l'orientation de chaque élément biréfringent étant telle que la représentation de son axe propre sur une sphère de Poincaré est pratiquement orthogo- nale à l'axe de la sphère qui passe par les points représentant l'état principal de polarisation du réparti- teur de faisceau polarisant, et la longueur de chaque élément biréfringent est telle que les signaux transmis et de l'oscillateur local sortent de cet élément avec des états de polarisation qui se correspondent pratiquement. 3 Mélangeur optique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le répartiteur de faisceau polarisant ( 10) est un répartiteur de faisceau à fibre optique fondue et effilée. 4 Mélangeur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le répartiteur de faisceau ( 10) est construit à partir d'une fibre optique capable de maintenir la polarisation. Mélangeur optique selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les éléments biréfringents respectifs ( 19, 20) sont des fibres optiques. 6 Mélangeur optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments biréfringents respectifs ( 19, 20) sont des fibres optiques capables de maintenir la polarisation et linéairement biréfringentes. 7 Récepteur optique hétérodyne insensible à l'état de polarisation, destiné à mélanger un signal transmis à une première fréquence optique, provenant d'un emplacement éloigné, à un signal d'oscillateur local à une seconde fréquence différente de la première, ledit récepteur étant caractérisé en ce qu'il comprend un répartiteur de faisceau polarisant ( 10) qui a deux voies d'entrée ( 11, 12), desti- nées à recevoir respectivement les signaux transmis et de l'oscillateur local, et deux voies de sortie ( 13, 14), et il a deux états principaux de polarisation qui sont ortho- gonaux et qui sont les états de polarisation possédés respectivement par les signaux apparaissant séparément au deux voies de sortie ( 13, 14) lors de l'application d'un signal à l'une quelconque des voies d'entrée, les deux voies de sortie ( 13, 14) du répartiteur de faisceau polari- sant étant couplées respectivement par deux éléments biréfringents ( 19, 20) à deux photodétecteurs ( 17, 18), il l'orientation de chaque élément biréfringent étant telle que la représentation de son axe propre sur une sphère de Poincaré est pratiquement orthogonale à l'axe de la sphère qui passe par les points représentant les états principaux de polarisation du répartiteur de faisceau polarisant, et la longueur de chaque élément biréfringent est telle que les signaux transmis et de l'oscillateur local quittent cet élément avec des états de polarisation qui se correspondent pratiquement. 8 Récepteur optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le répartiteur de faisceau polarisant ( 10) est un répartiteur de faisceau à fibre optique fondue et effilée. 9 Récepteur optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le répartiteur de faisceau ( 10) est construit à partir d'une fibre optique qui conserve la polarisation. Récepteur optique selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les éléments biréfringents respectifs ( 19, 20) sont des fibres optiques. 11 Récepteur optique selon la revendication 10, caractérisé en ce que les éléments biréfringents respectifs ( 19, 20) sont des fibres optiques capables de conserver la polarisation et linéairement biréfringentes. 12 Procédé de détection hétérodyne optique dans lequel un signal transmis à une première fréquence optique, provenant d'un emplacement éloigné, subit un traitement hétérodyne avec un signal d'oscillateur local à une seconde fréquence différente de la première, caractérisé en ce qu'il comprend l'application des signaux transmis et de l'oscillateur local à un répartiteur de faisceau polarisant ( 10) qui a deux voies d'entrée ( 11, 12) et deux voies de sortie ( 13, 14) et qui a des états principaux de polarisa- tion qui sont orthogonaux et qui sont les états de polari- sation possédés respectivement par les signaux apparaissant séparément aux deux voies de sortie lors de l'application d'un signal à l'une des voies d'entrée, le signal transmis est appliqué à l'une des voies d'entrée alors que le signal de l'oscillateur local est appliqué à l'autre voie d'entrée avec un état de polarisation tel que le signal d'oscilla- teur local est divisé de manière pratiquement égale entre les deux voies de sortie, et la transmission des compo- santes résultantes polarisées orthogonalement des signaux transmis et de l'oscillateur local, provenant de chaque voie de sortie, à un photodétecteur ( 17, 18) associé à cette voie de sortie, par l'intermédiaire d'un élément biréfringent associé ( 19, 20), l'orientation de chaque élément biréfringent étant telle que la représentation de son axe propre sur une sphère de Poincaré est pratiquement perpendiculaire à l'axe de la sphère qui passe par les points représentant les états principaux de polarisation du répartiteur de faisceau polarisant, et la longueur de chaque élément optique est telle que les composantes polarisées orthogonalement du signal transmis et du signal d'oscillateur local pénétrant dans cet élément biréfringent sortent de l'élément avec des états de polarisation qui se correspondent pratiquement. 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les signaux transmis et de l'oscillateur local sont appliqués à un répartiteur de faisceau polarisant ( 10) qui est un répartiteur de faisceau à fibre optique fondue et effilée. 14 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les signaux transmis et de l'oscillateur local sont appliqués à un répartiteur de faisceau polarisant ( 10) construit à partir d'une fibre optique qui conserve la polarisation. Procédé selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que les composantes polarisées orthogona- lement des signaux transmis et de l'oscillateur local provenant des voies de sortie ( 13, 14) du répartiteur de faisceau sont transmis aux photodétecteurs associés ( 17, 18) par des éléments biréfringents ( 19, 20) qui sont des fibres optiques. 16 Procédé selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que les composantes polarisées orthogona- lement des signaux transmis et de l'oscillateur local, provenant des voies de sortie ( 13, 14) du répartiteur de faisceau ( 10) sont transmises aux photodétecteurs associés ( 17, 18) par l'intermédiaire d'éléments biréfringents ( 19, ) qui sont des fibres optiques conservant la polarisation et biréfringentes linéairement.