Brevet FR2683052A1 — publié le 19930430

POLARISEUR A FIBRE OPTIQUE, SON PROCEDE DE FABRICATION ET APPLICATION A UN CAPTEUR L'invention concerne un polariseur à fibre optique, son procédé de fabrication et son application à un capteur. Elle s'applique notamment à un polariseur intégré dans une fibre optique comportant, tout au long de la fibre, au moins un évidement (fibre creuse). I1 est bien connu que les propriétés de conservation de polarisation ne peuvent être obtenues de façon parfaite dans une structure de fibre optique. Bien que des taux d'extinction supérieurs à 20 décibels soient obtenus entre polariseurs croisés sur des longueurs de fibre de plusieurs centaines de mètres, cette valeur peut être fortement altérée par le conditionnement de la fibre. I1 est donc nécessaire de parfaire le coefficient d'extinction (donc le maintien de la polarisation) par l'utilisation d'un élément polariseur additionnel à la sortie de la fibre. Dans les systèmes connus on prévoit des polariseurs indépendants que l'on couple optiquement aux autres éléments du système. Cependant, la propagation libre dans une partie quelconque d'un "réseau" de transmission ou de capteurs, constitue une limitation pratique importante (nécessité de concevoir des alignements quasi-parfaits en qualité et en stabilité). De plus certaines applications ne permettent pas cette approche hybride (pollution des dioptres...). Des polariseurs à fibre optique basés sur les pertes différentielles obtenues par courbures sont disponibles sur le marché, mais présentent un encombrement important (bobines de plusieurs centimètres de diamètre). De plus le rayon de courbure doit être ajusté très précisément suivant la longueur d'onde de la source utilisée. On connaît également dans la technique des polariseurs réalisés sous la forme de portions de fibre optique. Un tel polariseur, tel que décrit dans le document "Optical Fiber Sensors" de John DAKIN et Brian CUSHAW, page 262 à 264, est constitué d'une portion de fibre optique comportant, selon sa longueur, un élément métallique. Selon ce document, le polariseur décrit est un polariseur individuel et n'est pas intégré à un ensemble optique, il doit donc être assemblé (couplé optiquement) avec d'autres éléments optiques d'un système. L'emploi d'un polariseur à fibre optique séparé nécessite de réaliser au moins une épissllre supplémentaire dans la liaison, ce qui constitue une source d'atténuation non négligeable: désadaptation géométrique (diamètre des fibres différents) et optogéométrique (diamètres de modes différents). Pour éviter ces inconvénients, l'invention propose d'intégrer le polariseur à la fibre optique pour éviter l'emploi d'un élément d'optique supplémentaire qui entraîne une discontinuité des ondes guidées par propagation libre au niveau du polariseur. L'invention concerne donc un polariseur à fibre optique caractérisé en ce qu'il comporte une fibre optique comportant, tout au long de la fibre, au moins un évidement situé à proximité du coeur de la fibre, ledit évidement comportant au moins un élément métallique sur une partie seulement de la longueur de la fibre. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un polariseur à fibre optique, caractérisé en ce que, partant d'une fibre optique comportant tout au long de la fibre au moins un évidement, on insère une portion de métal en fusion dans l'évidement et qu'on laisse ensuite le métal se solidifier dans l'évidement. La fonction polariseur est obtenue aussi par introduction de métal dans un élément de fibre optique qui comporte deux évidements situés de part et d'autre du coeur de guidage, pour réaliser un polariseur par absorption métallique. L'intérêt de l'invention réside dans le fait de remplir de métal les évidements aux extrémités de la fibre optique utilisée pour la liaison ou le capteur. L'invention s'applique à tout système à fibre optique, pour lequel la polarisation de l'onde lumineuse présente un intérêt. A titre d'exemple non limitatif, > on citera les liaisons cohérentes, le multiplexage en polarisation, la réalisation du polariseur au niveau de la fibre amorce d'une source lumineuse à semiconducteur... Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent - la figure 1, un exemple de réalisation du polariseur selon l'invention; - la figure 2, une variante de réalisation du polariseur selon l'invention; - les figures 3 et 4, des procédés de réalisation selon l'invention des polariseurs des figures 1 et 2 - les figures 5 à 7, des capteurs à fibres optiques de type connu - la figure 8, un capteur à fibre optique avec polariseur indépendant; - la figure 9, un capteur à fibre optique selon l'invention; - les figures 10a et lOb, des capteurs à fibre optique selon l'invention fonctionnant en série - la figure 11, des capteurs à fibre selon l'invention fonctionnant en parallèle. En se reportant à la figure 1, on va décrire un exemple de réalisation d'un polariseur selon l'invention. Ce polariseur comporte une fibre ayant un coeur de guidage 1 et une gaine optique 2. La gaine 2 possède au moins une cavité 3 réalisée parallèlement au coeur. La cavité est réalisée selon toute la longueur de la fibre. Selon l'exemple de réalisation de la figure 1, la fibre possède deux cavités 3 et 4. Dans une portion limitée de la longueur de la fibre les cavités 3 et 4 contiennent des éléments métalliques 5 et 6. Ces éléments métalliques agiront comme absorbant sur iine polarisation de la lumière guidée dans le coeur de la fibre. Selon la figure 1, les éléments 5 et 6 sont situés à une extrémité de la fibre. Selon la figure 2, ils sont situés dans une zone intermédiaire de la fibre. On peut également, bien que cela ne soit pas représenté prévoir des éléments métalliques en différentes zones localisées de la fibre. Chaque élément métallique a pour longueur de l'ordre de quelques centimètres par exemple. Lorsque la fibre possède plusieurs cavités comme cela est représenté sur les figures 1 et 2 > les éléments métalliques d'une même zone ont même longueur et sont situés au même endroit dans la fibre. Les figures 3 et 4 représentent des procédés de réalisation des fibres des figures 1 et 2. Une fibre creuse Fi est tout d'abord réalisée selon une technique connue telle que celle décrite dans la Demande de Brevet français nO 89 15872. Une extrémité de la fibre Fl est ensuite trempée dans un métal en fusion M contenu dans une enceinte étanche C et maintenue à une température déterminée de façon que le métal reste à l'état fondll. Urne pompe P possède une tubulure pénétrant dans le récipient C et permet d'injecter un gaz ou de l'air dans l'enceinte. Le métal fondu M est sous l'effet de la pression refoulé dans les cavités de la fibre. Si les éléments métalliques doivent être situés à l'extrémité de la fibre, on arrête la pression créée par la pompe P lorsque les éléments métalliques sont de dimensions appropriées (en ouvrant la vanne V par exemple). Si les éléments métalliques doivent être situés dans une zone intermédiaire de la fibre, lorsque les éléments métalliques sont de dimensions appropriées on retire l'extrémité de la fibre du métal en fusion M. De ce fait, la pression introduite par la pompe P dans l'enceinte C a pour effet de pousser les éléments métalliques dans la fibre Fl. Lorsque les éléments métalliques sont arrivés dans la zone appropriée, la pression dans l'enceinte est coupée par ouverture de la vanne V, ou bien si on veut introduire d'autres éléments métalliques, il suffit de retremper l'extrémité de la fibre dans le métal en fusion et de procéder à nouveau comme précédemment. La figure 4 représente un autre procédé de réalisation selon l'invention. Une extrémité de la fibre Eil est trempée dans le métal en fusion contenu dans l'enceinte M (l'enceinte M n'est pas étanche dans ce procédé). L'autre extrémité de la fibre Fl est raccordée à une pompe d'aspiration qui permet d'aspirer la quantité nécessaire de métal en fusion. Lorsqu'on veut déplacer les éléments métalliques dans la fibre, on sort l'extrémité de la fibre du métal en fusion et on continue à aspirer à l'aide de la pompe. En se reportant aux figures 5 à 11, on va maintenant décrire une application du polariseur à fibre optique selon l'invention à la réalisation de capteurs. Les capteurs à fibre optique de type polarimétrique (interfêrométrique) utilisent les propriétés de biréfringence de la fibre soumise aux variations du paramètre à mesurer (par exemple température, pression hydrostatique, contraintes...). Dans le cas de capteurs dits intrinsèques, la birêfringence intrinsèque de la fibre est modifiée en fonction de la grandeur à mesurer, ce qui se traduit par une variation de la propagation différentielle des deux modes de polarisation. En sortie de la fibre capteur, la mesure des variations de la grandeur à mesurer est obtenue par la mesure du déphasage induit. Un capteur à fibre optique est un élément de fibre optique de longueur L. Soumis aux variations de la grandeur à mesurer, le déphasage total exploité est donné par une simple relation linéaire : produit de la sensibilité (à la valeur à mesurer) par unité de longueur de fibre par la longueur de la fibre (et la variation de la valeur à mesurer). La mesure est donc l'intégrale des variations de la grandeur à mesurer sur la longueur de fibre capteur. Ceci sous-entend que la valeur de la grandeur à mesurer soit supposée constante le long de la fibre. I1 apparaît donc nécessaire de limiter (borner) l'élément de fibre capteur pour le différencier des fibres de liaisons (source lumineuse-capteur et capteur-détecteur) et de plus il est impératif que les fibres de liaisons ne perturbent pas les informations utiles à la mesure (déphasage induit en particulier). Sur la figure 5, on trouve une fibre capteur F10 couplée vers l'extérieur par des fibres de liaison Fil et F12. Une solution connue consiste à utiliser la même fibre optique en ne considérant cette fois non pas la propagation différentielle mais la propagation suivant un mode propre de polarisation. Cette approche est possible à condition que soit réalisé un point de couplage entre les axes de propagation de la fibre suivant un mode particulier d'orientation que l'on rappelle ci-après. Lors de la propagation différentielle, les deux modes propres de la fibre sont excités. Sur la figure G, on voit que les deux modes entrant dans la fibre se propagent à des vitesses différentes. Un élément de la même fibre optique orientée à 450 et épissuré à la précédente (figure 7) se comporte comme un analyseur, l'énergie contenue dans chacun des modes de propagation de la fibre capteur F10 se projettent sur chacun des modes de la fibre d'analyse F13. La longueur de fibre capteur est choisie de telle sorte que les ondes qui se propagent suivant les deux modes de polarisation soient décorrêlées (la longueur minimale est déterminée à partir de la cohérence temporelle de la source et en fonction de la biréfringence de la source).Si cette condition est réalisée les composantes des ondes projetées sur chacun des axes de la fibre d'analyse F13 ne peuvent pas interférer, l'information de déphasage induit sur la fibre capteur F10 peut être déportée vers le système détecteur sans perturbations. I1 apparaît que les informations utiles sont projetées sur les deux axes de propagation de la fibre d'analyse, alors qu'une seule projection est utile à la mesure. Une méthode utilisée pour annuler une des composantes consiste à placer un élément polariseur convenablement orienté en sortie de la fibre F13 d'analyse (et de déport) avant le système de lecture (figure 8). Peuvent être utilisés à cet effet, des polariseurs massiques d'optique classique ou bien des polariseurs à fibre optique. Suivant l'architecture du réseau cette solution n'est pas suffisante. En effet, il peut être nécessaire d'inclure la fonction polariseur dans le réseau lui-même entre les différents capteurs afin de minimiser ou annuler les effets parasites provenant de couplages de polarisation au deuxième ordre (et ordres supérieurs). Une solution de polariseur "in-line" est possible grâce au polariseur optique de l'invention. Pour cela comme représenté en figure 9, une fibre optique à structure évidée est utilisée comme élément capteur sur une longueur L1. Au point P1 est réalisé un couplage de polarisation par rotation contrôlée des axes (épissurage ou rotation-fusion). Le point de couplage induit un couplage à 3 décibels (couplage à 450) A A partir du point de couplage P1, la longueur de fibre L2 est utilisée comme fibre d'analyse et de déport. Pour obtenir la fonction polariseur, du métal est introduit dans les évidements de la fibre sur une longueur suffisante 2P pour obtenir un taux d'extinction adapté à l'application. A titre d'exemple des taux d'extinction de l'ordre de 30 à 40 dB peuvent être atteints après quelques centimètres de propagation. Sur la longueur de fibre située après la partie contenant du métal seules les informations contenues dans le mode propre non atténué par le métal se propagent. Sur cette partie de la fibre optique notée L2D l'information de déphasage du capteur est déportée sans perturbations de phase différentielle. De cette manière, le tronçon de fibre L2D peut être directement relié au système de lecture sans ajout d'éléments polariseurs supplémentaires. L'invention est particulièrement adaptée aux réseaux de capteurs interféro-polarimétriques (modes série ou parallèle). La réalisation d'éléments polariseurs localisés dans un réseau série de capteurs polarimétriques adressés en cohérence permet de séparer spatialement les différents capteurs du réseau. Les figures 10a et 10b représentent l'amélioration apportée par l'invention dans un réseau série. Dans la configuration de la figure l0a, les différents capteurs Ci > C2, ... > Cn sont adjacents deux à deux. Deux capteurs ne sont séparés que par un point de couplage de polarisation PI, P2, ..., Pn. Dans la configuration de la figure 10b les éléments polariseurs LlP1, ..., LnPn permettent de séparer deux capteurs consécutifs C1, ..., Cn par une longueur de fibre importante LlD1J ... LnDn (jusqu'à plusieurs dizaines de mètres) rendue insensible à l'environnement par suppression de la propagation différentielle entre modes de polarisation. Dans le cas d'une architecture parallèle } représentée sur la figure 11 > les éléments polariseurs LP1J ... > LPn placés en sortie des capteurs Cl > ..., Cn permettent d'utiliser un bus de retour unique B2 pour l'ensemble des capteurs. Suivant cette configuration les capteurs sont adressés dans le temps et relus séquentiellement en cohérence. Les polariseurs sont réalisés dans les fibres capteurs. L'invention est également applicable à la réalisation d'une ligne de transmission à maintien de polarisation. Une ligne de transmission strictement monomode est en effet difficile à réaliser en raison des imperfections techniques. Selon l'invention > on prévoit donc une fibre à structure évidée comportant, dans le ou les évidements, des éléments métalliques jouant le rôle de polariseur. On peut également remplir les évidements avec du métal tout au long de la fibre. I1 est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple. D'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, la forme des fibres, la forme des différents éléments de la fibre ainsi que la nature des matériaux ne sont indiquées que pour illustrer la description. REVENDICATIONS i. Polariseur à fibre optique caractérisé en ce qu'il comporte une fibre optique comportant, tout au long de la fibre, au moins un évidement situé à proximité du coeur de la fibre ledit évidement comportant au moins un élément métallique sur une partie seulement de la longueur de la fibre. 2. Polariseur à fibre optique selon la revendication l, caractérisé en ce que l'élément métallique est situé à une extrémité de la fibre. 3. Polariseur à fibre optique selon la revendication i > caractérisé en ce que l'élément métallique est situé dans une partie intermédiaire de la fibre. 4. Polariseur à fibre optique selon la revendication 1. caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs éléments métalliques répartis en différentes zones de la fibre. 5. Polariseur à fibre optique selon la revendication 1J caractérisé en ce que la fibre comporte deux évidements situés de part et d'autre du coeur de la fibre, chaque évidement comportant au moins un élément métalliqlle, ces deux éléments métalliques étant situés dans une même zone de la fibre. 6. Procédé de fabrication d'un polariseur à fibre optique caractérisé en ce que, partant d'une fibre optique comportant tout au long de la fibre au moins un évidements on insère une portion de métal en fusion dans l'évidement et qu'on laisse ensuite le métal se solidifier dans l'évidement. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'insertion d'une portion de métal en fusion dans l'évidement se fait par mise en contact d'une extrémité de la fibre avec une portion de métal en fusion et par aspiration par l'autre extrémité de la fibre. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'insertion d'une portion de métal en fusion dans l'évidement se fait par injection sous pression d'une portion de métal en fusion. 9. Procédé selon la revendication 6 > caractérisé en ce que la fibre a au moins deux évidements et que des portions de métal en fusion de même volume sont insérées dans les évidements, deux portions de métal des deux évidement étant placées à un même emplacement de la fibre. 10. Capteur à fibre optique appliquant le polariseur selon l'une quelconque des revendications t à 5 comprenant une fibre optique évidée, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément métallique situé à proximité du coeur de la fibre. il. Ligne de transmission à maintien de polarisation appliquant le polariseur selon laine quelconque des revendications i à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend tout au long de la fibre au moins un élément contenant au moins un élément métallique.