Brevet FR2674642A1 — publié le 19921002

FIBRE OPTIQUE A RESEAU DE BRAGG INTERNE VARIABLE ET SES APPLICATIONS L'invention concerne une fibre optique à réseau de Bragg variable, en orientation et en réflectivité chromatique et ses applications en tant que déf lecteur, extracteur sélectif de flux, injecteur de lumière, coupleur à fibre optique et capteur à fibre optique. Le développement des fibres optiques et de leurs applications ont suscité la mise au point de composants à base de fibres remplissant les mêmes fonctions ou au moins des fonctions analogues à celles usuellement remplies par les composants optiques traditionnels. D'autres composants à fibre optique sont plus spécifiques et il est difficile de trouver leurs correspondants en optique traditionnelle. C'est ainsi qu'ont été développées des fibres optiques à réseau de Bragg. De telles fibres sont décrites dans les brevets américains US-A-4 725 110, US-A-4 806 012 et US-A-4 807 950. Selon la technique décrite dans ces documents, une fibre, en verre ou en silice dopée au germanium est traitée de manière à constituer à l'intérieur de celle-ci un réseau de Bragg. Ce réseau est constitué de strates parallèles, planes d'indice constant, l'indice varie d'une strate à l'autre et, ses variations sont périodiques et la période est représentée par la période spatiale I Tous les paramètres de ces réseaux sont constants ( longueur, période spatiale au repos, orientation). Il est montré, dans ces documents, que le flux lumineux, d'une onde signale couplée dans la fibre, réfléchi par un tel réseau de Bragg a des caractéristiques fonctions de sa période spatiale. La période spatiale, est déterminée par les conditions de fabrication du réseau de Bragg Elle est susceptible d'être légèrement modifiée lorsque la fibre est soumise à des contraintes longitudinales. Le réseau de Bragg, permanent, est obtenu en soumettant une fibre optique au réseau d'interférences dit aussi réseau de franges, produit par l'intersection de deux faisceaux ultraviolets provenant d'une même source. Les différentes strates de la fibre sont soumises à des éclairements variables qui entraînent des modifications correspondantes, définitives, d'indice fonction, en chaque point, de l'éclairement reçu La répartition de l'intensité dans les franges d'interférence étant sinusoïdale, de période spatiale I, elles produisent des variations d'indice de même période. La période spatiale et la longueur du réseau de Bragg sont donc déterminées par les conditions de production de l'interférence (angle des faisceaux, position de la fibre par rapport aux franges lors de l'illumination * A) Il est souligné dans ces documents de l'art antérieur que ces fibres comportant des réseaux de Bragg sont susceptibles d'être utilisées comme jauge de contrainte En effet, lorsque la fibre est soumise à des contraintes longitudinales, la période spatiale du réseau de Bragg est modifiée, ce qui entraîne une modification des caractéristiques du flux réfléchi L'analyse de ce flux permet donc d'isoler une grandeur fonction de la contrainte longitudinale à laquelle la fibre est soumise Il est également souligné que le flux réfléchi par le réseau de Bragg dépend également de la température et que l'utilisation de deux réseaux de Bragg, éventuellement superposés, permet d'isoler la contribution de la contrainte longitudinale à la modification des caractéristiques du flux réfléchi. L'objectif de la présente invention est la conception d'un nouveau composant optique comportant une fibre à réseau de Bragg interne dont l'orientation et la réflectivité chromatique sont variables Ce composant permet la réalisation de nombreuses fonctions et mesures. A cet effet, l'invention concerne un composant optique comportant une fibre optique ayant au moins un coeur et une gaine, le coeur étant constitué d'un matériau devenant amplificateur de lumière par pompage optique. Selon l'invention ce composant optique comporte des moyens de production de l'onde de pompe sous forme d'un champ d'interférence, de période spatiale, de position, de longueur, d'inclinaison variables sur une partie au moins du coeur de la fibre optique. 4 2674642 De manière préférée les moyens de production du champ d'interférence de l'onde de pompe comportent des moyens de production et de séparation d'un flux incident en deux ondes et des moyens de recombinaison de ces deux ondes, les moyens de recombinaison permettent d'ajuster la période spatiale et le nombre de strates ainsi que leur position et leur inclinaison par rapport à la fibre. Les caractéristiques du champ d'interférence peuvent être directement contrôlées de manière à agir sur une onde signal couplée à la fibre optique. Dans d'autres modes de réalisation les caractéristiques du champ d'interférence et donc du réseau de Bragg dépendent d'un ou de plusieurs paramètres extérieurs Le flux guidé dans la fibre est utilisé pour mesurer à distance les caractéristiques du réseau et ainsi connaître le ou les paramètres extérieurs dont elles dépendent. Dans certains modes de réalisation les moyens de production du champ d'interférence de l'onde de pompe comportent au moins un prisme agissant sur l'une des deux ondes et permettant d'ajuster la période spatiale et l'orientation des franges. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux figures dans lesquelles: La figure 1 est un schéma de principe du dispositif de l'invention La figure 2 représente un mode d'ajustement et de contrôle des franges La figure 3 représente un premier réalisation des interférences La figure 4 représente un deuxième réalisation des interférences La figure 5 représente un troisième réalisation des interférences La figure 6 représente un quatrième réalisation des interférences. mode de mode de mode de mode de La figure 7 représente un premier mode de réalisation d'interférences parallèles à l'axe de la fibre. La figure 8 représente un deuxième mode de réalisation d'interférences parallèles à l'axe de la fibre. L'invention met en oeuvre une fibre optique dont le coeur est constitué d'un milieu actif susceptible d'être optiquement pompé L'indice du coeur d'une telle fibre, pour une longueur d'onde donnée de l'onde signal qui lui est couplée, est fonction de l'éclairement qu'il reçoit à une longueur d'onde donnée dite longueur d'onde de pompe. De plus l'onde signal est amplifiée. L'illumination d'une telle fibre par un réseau de franges d'intensité lumineuses variables, à la longueur d'onde de pompe produit des strates d'indice à la longueur d'onde signal. Cette propriété est mise en oeuvre pour réaliser à l'intérieur d'une fibre optique des réseaux de Bragg dont 6 2674642 l'ensemble des propriétés: existence même, longueur totale du réseau, période spatiale, orientation du réseau par rapport à l'axe de la fibre sont contrôlables et variables. Le composant ainsi constitué est susceptible de recevoir des applications nombreuses et variées Il peut constituer l'un des éléments d'un déflecteur, d'un polariseur, d'un coupleur, d'un capteur Ce composant comporte une fibre optique 1 ayant un coeur 2 et une gaine 3 Le coeur est constitué d'un matériau amplificateur. Par ailleurs il comporte également des moyens de production d'interférences 4 de période spatiale et de position variables sur une partie au moins du coeur 2 de la fibre optique 1. Les franges d'interférence constituent des variations périodiques d'éclairement dans la direction 5 l'axe de la fibre optique Ces variations d'éclairement produisent par l'action du milieu actif constitutif du coeur 2 de la fibre 1 des variations de l'indice de réfraction du coeur dans la direction de l'axe 5. Ainsi un flux lumineux 6 couplé dans la fibre optique 1 rencontre ces variations périodiques d'indice qui constituent un réseau de Bragg 7. Ce réseau de Bragg 7 agit sur le flux 6, réfléchissant une partie de celui-ci lorsque les strates constitutives du réseau de Bragg sont perpendiculaires à l'axe de la fibre, produisant l'extraction hors du coeur de la fibre d'une partie de ce flux 6 lorsque ces strates sont inclinées par rapport à l'axe 5 de la fibre 1 - Inversement il permet le couplage d'un flux lumineux dans la fibre. L'interférence de deux faisceaux lumineux de pompe, à la longueur d'onde À, incliné l'un par rapport à l'autre d'un angle 28 permet d'obtenir un champ d'interférence de période spatiale:p I 1 = 2 nsin 8 o N est l'indice du mileu et Xp la longueur d'onde des faisceaux dits faisceaux de pompe dans ce milieu. La proportion du flux lumineux extrait par rapport au flux lumineux incident sur le réseau de Bragg est fonction de la longueur d'onde du flux incident 6 et de l'intensité de l'onde de pompe. Selon une caractéristique importante de l'invention le réseau de Bragg 7 est produit au moment même o les franges d'interférence 4 de l'onde de pompe sont formées et il disparaît lorsque ces franges sont supprimées De manière analogue ce réseau de Bragg a des caractéristiques qui évoluent lorsque les caractéristiques des franges d'interférence varient. De nombreux moyens sont susceptibles d'être mis en oeuvre tant pour la production des franges d'interférence 7 que pour la variation ou l'ajustement de leurs propriétés. On utilise de préférence des franges d'interférence à deux ondes De telles franges sont produites par séparation d'un flux lumineux incident e en deux ondes e et 12 puis en recombinaison de ces deux ondes el et e 2 au niveau de la fibre 1. Les franges d'interférence sont obtenues dans de bonnes conditions, c'est-à-dire qu'elles sont planes avec une bonne précision, lorsque la fibre est placée dans un milieu d'indice proche du sien et ayant au moins une surface de contact plane, avec l'air ou le milieu dans lequel se propage les ondes de pompe La fibre peut être introduite dans un élément de silice percé d'un trou prévu à cet effet, (on peut réaliser un trou d'un diamètre de 1288 m environ pour des fibres d'un diamètre de 125 Lm) Un liquide ou gel d'indice assure la continuité d'indice entre ce bloc et la gaine de la fibre. La fibre peut aussi être placée dans un milieu liquide ayant un indice proche de celui de sa gaine. Ainsi les faisceaux de pompe ne traversent qu'un dioptre plan avant d'interférer. La variation ou l'ajustement des franges d'interférence peut tout d'abord être produits par le déplacement relatif des franges d'interférence 4 et de la fibre 1 Une translation de la fibre parallèlement aux strates du réseau de franges d'interférence c'est-à- dire aussi du réseau de Bragg modifie la longueur du réseau de Bragg et donc la fraction du flux incident 6 extrait ou réfléchi par le réseau de Bragg 7, ainsi que la bande passante chromatique du réseau. La mesure à distance de ce flux réfléchi ou extrait permet donc de connaître les positions relatives des franges d'interférence 4 et de la fibre 1 et de connaître, par là, un paramètre extérieur P susceptible d'agir sur cette position relative. Dans un autre mode de réalisation représenté à la figure 2 un ou plusieurs prismes 10, il peuvent être placés respectivement sur les deux ondes avant la production des interférences La présence, ou l'orientation de ces prismes produit une modification des conditions d'interférence et, des franges produites et donc du réseau de Bragg. Il est également possible d'interposer sur l'une au moins des ondes un diasporamètre constitué d'un couple de prismes contre-rotatifs permettant la constitution de composants analogues à un prisme dont l'angle serait continûment variable La variation de cet angle agit sur les propriétés des interférences produites donc du réseau de Bragg et par là permet de modifier la période spatiale et/ou l'orientation des strates du réseau de Bragg et donc permet la mesure de l'angle relatif des prismes constitutifs du diasporamètre et d'un paramètre P extérieur éventuel produisant une variation de cet angle. La figure 3 représente un mode de réalisation particulièrement simple permettant l'obtention des franges d'interférence au niveau de la fibre 1 Un flux incident 20 formant un faisceau parallèle est décomposé par une lame semi-transparente 21 en deux ondes 22, 23 approximativement perpendiculaires Chacune de ces ondes est réfléchie par un miroir respectivement 24, 25 approximativement parallèle à la lame semitransparente 21 Les faisceaux 22 et 23 se recombinent et forment les franges d'interférence 26 Une modification des orientations relatives de la lame semi- transparente 21, des miroirs 24 et 25 produit une variation de l'angle des faisceaux 22 et 23 lors de leur recombinaison et donc une variation de la période spatiale des interférences formées Ces positions relatives de la lame semi-transparente 21, des miroirs 24 et 25 peuvent être représentatives d'un paramètre à mesurer P. Le dispositif représenté sur la figure 4 est un dispositif monolithique, réalisé à partir de deux parallélépipèdes 30, 31 permettant la formation de la lame semi-transparente 32, des miroirs 33 et 34 et formant un système optique analogue à celui décrit plus haut en référence à la figure 3 Toutefois ce dispositif est très stable et peu sensible à d'éventuelles vibrations externes. La position globale de ce composant agit sur la position relative des franges d'interférence 35 par rapport à la fibre 1 permettant de contrôler et d'ajuster tant la longueur du réseau de Bragg que sa période spatiale et/ou son orientation par rapport à l'axe de la fibre. Dans le dispositif représenté sur la figure 5 un miroir 40 intercepte une partie d'un faisceau parallèle 41 et produit des franges d'interférence 42 entre le faisceau direct, non intercepté par le miroir 40 et le faisceau réfléchi par ce miroir 40 Ce dispositif est d'une très grande simplicité. Dans le dispositif représenté sur la figure 6 une équerre optique 50 produit l'interférence d'une partie du flux parallèle 51 intercepté par cette équerre avec le flux directement transmis L'angle des faisceaux interférents, 2 e résulte de l'angle de l'équerre e fixé par construction et donc particulièrement stable. Les caractéristiques du champ d'interférence peuvent être directement contrôlées de manière à agir sur une onde de signal couplée à la fibre optique. Dans d'autres modes de réalisation les caractéristiques du champ d'interférence et donc du réseau de Bragg dépendent d'un ou de plusieurs paramètres extérieurs Le flux couplé à la fibre est utilisé pour mesurer à distance les caractéristiques du réseau et ainsi connaître le ou les paramètres extérieurs dont elles dépendent. Dans ces différents dispositifs, le contrôle de l'intensité de la source de pompe ou l'interposition d'atténuations sur l'un ou sur les deux faisceaux de pompe avant recombinaison permet d'agir sur l'intensité et sur le contraste des interférences produites et par là, sur la part du flux de l'onde signal défléchie ou extraite et sur le taux d'amplification de cette onde signal par ailleurs la période spatiale des interférences de l'onde de pompe détermine la longueur d'onde centrale de la bande spectrale sur laquelle le réseau de Bragg est actif; le nombre de strates formées détermine la largeur de bande. Il est également possible d'agir sur la longueur d'onde de l'onde de pompe. Différents matériaux sont en eux-mêmes connus pour la réalisation des fibres actives et peuvent être utilisés pour la fabrication du coeur des fibres mises en oeuvre selon l'invention Le tableau suivant donne, pour un certain nombre de matériaux, le dopant préférentiellement utilisé, la longueur d'onde d'utilisation Au et la longueur d'onde de pompe Àp qui est mise en oeuvre pour réaliser les interférences dans ces dispositifs: il Matériau Dopants u fibre (nanomètre) (nancètre) Longueur d'onde de pompe. Verre au Erbium Fluorure de +++ 850 801 Zirconium Er Verre au Néodyme 1300 Fluorure de +++ 795 Zirconium Nd 1338 Silice Erbium Si O + Ge O 2 ++++ 1550 1470 1510; 1480 ou Bien Er 1536 514; 532 S+ 02 + Ge G 2 800 825; 820 +U 1203 980 De préférence, soit le coeur de la fibre optique est en verre au fluorure de zirconium dopé à l'Erbium, les franges d'interférence sont formées à une longueur d'onde comprise entre 790 et 820 nm et le composant est destiné à être utilisé à une longueur d'onde comprise entre 810 et 860 nm. soit le coeur de la fibre optique est en verre au fluorure de zirconium dopé au Néodyme, les franges d'interférence sont formées à une longueur d'onde comprise entre 780 et 820 nm et le composant est destiné à être utilisé à une longueur d'onde comprise entre 1250 nm et 1350 nm soit le coeur de la fibre optique est en silice dopé à l'Erbium, les franges d'interférence sont formées à une longueur d'onde comprise entre 500 et 1510 nm et le composant est destiné à être utilisé à une longueur d'onde comprise entre 1490 et 1570 nm. La disposition essentielle de l'invention est donc la réalisation dans le coeur de fibres optiques de réseaux de Bragg éphémères c'est-à-dire qui ne se maintiennent que lorsque le coeur de ces fibres est soumis à un éclairement variable, périodique dans le sens de l'axe de la fibre Il permet la modulation en temps réel des propriétés du réseau de Bragg ainsi produit et reçoit de nombreuses applications Ce procédé est applicable aux fibres monomodes et aux fibres multimodes. Lorsque le champ d'interférence variables est parallèle à l'axe de la fibre, le réseau de Bragg polarise, au moins partiellement l'onde signal guidée dans la fibre. Un tel champ d'interférence est obtenu, comme représenté sur les figures 7 et 8 soit en plongeant dans le champ d'interférence de deux faisceaux de pompe cylindriques de manière à ce que l'axe de la fibre soit parallèle aux strates d'interférence des deux faisceaux par l'interférence de deux faisceaux dont la bissectrice des axes est parallèle à l'axe de la fibre (figure 7) soit par l'interférence de deux faisceaux, parallèles de directions opposées, à l'axe de la fibre (figure 8). Le polarisateur ainsi réalisé est variable Il peut entre-autre tourner autour de l'axe de la fibre. Des strates faiblement inclinées parallèlement à l'axe de la fibre peuvent créer des déflexions quasi rasante; constituant des extracteurs ou injecteur-coupleur de lumière. Chaque réseau de Bragg réfléchissant ou défléchissant une partie seulement du flux signal couplé dans la fibre, un grand nombre de réseaux est susceptible d'être placé en série sur la même fibre permettant la mesure d'un grand nombre de paramètres ou, l'extraction chromatiquement sélective de canaux faisant partie d'un ensemble de canaux ou multiplex chromatique circulant dans la fibre, sans perturbation des autres canaux L'extraction comportant le réseau de Bragg peut être caractérisé par sa réponse spectrale, elle-même représentée par sa longueur d'onde centrale Xc et sa largeur de bande h Ac La variabilité du réseau de Bragg permet le contrôle de À et de AX O qui déterminent les canaux sélectionnés (leur longueur d'onde et leur nombre) De manière analogue, symétriquement, il est possible d'insérer des canaux chromatiques dans une fibre sans perturber les autres canaux du multiplex. De plus un éclairement de la fibre, continu ou superposé à l'éclairement périodique produit l'amplification de l'onde signal avec une très large bande passante Cela permet la multiplication, pour une intensité fixe de la source, du nombre de capteurs mis en oeuvre ou autorise l'augmentation de la portée du réseau de capteurs. REVENDICATIONS 1 Composant optique comportant une fibre optique ayant au moins un coeur et une gaine, le coeur étant constitué d'un matériau devenant amplificateur de lumière par pompage optique caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de production de l'onde de pompe sous forme d'un champ d'interférence variable comportant des strates sur une partie au moins du coeur de la fibre optique. 2 Composant optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence spatiale des strates du champ d'interférence de l'onde de pompe est variable. 3 Composant optique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'inclinaison des strates du champ d'interférence de l'onde de pompe, par rapport à l'axe de la fibre est variable. 4 Composant optique selon l'une quelconque des renvendications 1 à 3, caractérisé en ce que la longueur de la fibre sur laquelle est formée le champ d'interférence de l'onde de pompe est variable. 5 Composant optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la position du champ dtinterférence de l'onde de pompe, par rapport à la fibre, est variable. 6 Composant optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la longueur d'onde de l'onde de pompe est variable. 7 Composant optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de production des franges comportent des moyens de séparation d'un flux incident en deux ondes et des moyens de recombinaison de ces deux ondes, les moyens de recombinaison permettant d'ajuster la période spatiale et la position des franges par rapport à la fibre. 8 Composant optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de production des franges comportent au moins un prisme, agissant sur l'une des deux ondes et permettant d'ajuster la période spatiale et l'orientation des franges. 9 Composant optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de production des franges comportent au moins un miroir, agissant sur l'une des deux ondes et permettant d'ajuster la période spatiale et l'orientation des franges. Composant optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le coeur de la fibre optique est en verre au fluorure de zirconium dopé à l'Erbium, que les franges d'interférence sont formées à une longueur d'onde comprise entre 790 et 820 nm que le composant est destiné à être utilisé à une longueur d'onde comprise entre 810 et 860 nm. 11 Composant optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le coeur de la fibre optique est en verre au fluorure de zirconium dopé au Néodyme, que les franges d'interférence sont formées à une longueur d'onde comprise entre 780 et 820 nm et que le 17 2674642 composant est destiné à être utilisé à une longueur d'onde comprise entre 1250 ni et 1350 nm 12 Composant optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le coeur de la fibre optique est en silice dopé à l'Erbium, que les franges d'interférence sont formées à une longueur d'onde comprise entre 1450 et 1510 nm et que le composant est destiné à être utilisé à une longueur d'onde comprise entre 1490 et 1570 nm. 13 Composant optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le coeur de la fibre optique est en silice dopée à l'Erbium, que les franges d'interférence sont formées à une longueur d'onde comprise entre 800 et 1000 nm que le composant est destiné à être utilisé à une longueur d'onde comprise entre 1490 et 1570 nm. 14 Composant optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le coeur de la fibre optique est en silice dopée à l'Erbium, que les franges d'interférence sont formées à une longueur d'onde comprise entre 500 et 550 nm que le composant est destiné à être utilisé à une longueur d'onde comprise entre 1490 et 1570 nm. Composant optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les strates du champ d'interférence variables sont parallèles à l'axe de la fibre.