Brevet FR2703541A1 — publié le 19941007

DisDositif d'interrogation et d'analyse d'un réseau de capteurs interférométriques de mesure en lumière polarisée La présente invention porte sur un dispositif d'interrogation et d'analyse d'un réseau de capteurs interférométriques de mesure en lumière polarisée. Ces capteurs interférométriques sont à fibre optique permettant la mesure de paramètres quelconques à partir d'une pression qui traduit l'un ou plusieurs de ces paramètres et est exercée sur le capteur. Les paramètres à mesurer peuvent être en particulier le poids, la vitesse, la longueur ou d'autres caractéristiques de véhicules circulant sur une route. Ils peuvent être dans d'autres applications différentes des pressions hydrostatiques, ou des contraintes à l'intérieur d'ouvrages d'art, ou encore des ondes sonores, par exemple, qui sont à détecter et mesurer. De tels capteurs interférométriques de pression à fibre optique sont en tant que tels déjà connus. Ils sont en particulier du type de celui décrit dans le document FR-A- 2 628 205, présentant une sensibilité élevée, dont la fibre optique dite de mesure, à faible biréfringence intrinsèque, est enserrée, de manière à être coincée, entre deux rubans métalliques élastiques, ces rubans étant de même largeur très supérieure au diamètre de la fibre de mesure, et ayant leurs bords solidarisés deux à deux. La sensibilité d'un tel capteur, en réponse à des pressions extérieures, est en tant que telle définie. I1 lui correspond une fréquence maximale possible des informations d'analyse contenues dans le signal délivré par la fibre de mesure, dite fréquence maximale de réponse du capteur. La précontrainte initiale de la fibre de mesure, qui est exercée en l'absence de pression extérieure par les rubans et un enrobage recouvrant l'ensemble, se traduit par une biréfringence extrinsèque de la fibre de mesure, pour laquelle cette fibre de mesure présente deux modes orthogonaux de polarisation dirigés selon ses axes neutres transversaux et susceptibles de se propager dans la fibre. Le principe de mesure réalisée avec un tel capteur interférométrique est basé sur la variation de la biréfringence de la fibre optique de mesure, lorsqu'une pression extérieure est exercée sur le capteur, perpendiculairement à sa fibre optique. Cette variation de biréfringence est directement liée à la valeur de la pression. Elle modifie en conséquence les vitesses de propagation des deux modes orthogonaux de polarisation. Elle crée un déphasage entre les composantes orthogonales, correspondant à ces modes de polarisation, de vibrations lumineuses incidentes polarisées rectilignement dans le plan de polarisation défini par ces deux modes principaux.Ce déphasage donne lieu à un phénomène d'interférence entre ces deux composantes qui sont initialement cohérentes spatialement et temporellement, et qui après propagation se recombinent différemment en formant des franges et sont détectées. Les dispositifs d'interrogation et d'analyse d'un tel capteur interférométrique de mesure en lumière polarisée utilisent une diode laser comme source de lumière cohérente et un polariseur rectiligne couplé à la diode laser, pour transmettre à la fibre de mesure des vibrations lumineuses polarisées rectilignement, ayant une orientation à 45" relativement aux axes neutres de cette fibre de mesure pour l'excitation identique de ses deux modes de polarisation orthogonaux.Ils utilisent un analyseur croisé par rapport au polariseur, pour recevoir le signal dit d'analyse provenant de la fibre optique de mesure, et une photodiode ou analogue couplée à l'analyseur, pour détecter les franges d'interférence contenues dans le signal d'analyse traversant l'analyseur, cet analyseur croisé définissant le plan d'observation du signal d'analyse en permettant l'obtention d'un contraste maximal des franges d'interférence. Un dispositif de ce type est décrit dans le document US-A-4 442 350. I1 utilise en outre un compensateur sur l'entrée de la fibre de mesure, pour ajuster l'orientation de l'état de polarisation reçu du polariseur relativement aux axes neutres de la fibre de mesure. La mesure d'un ou de plusieurs paramètres peut nécessiter l'utilisation d'un réseau de capteurs interférométriques tels que le capteur précité. I1 est alors souhaitable d'adopter une configuration de multiplexage pour l'interrogation de différents capteurs interférométriques à partir d'une même source de lumière et d'un même polariseur couplé à cette source et de transmettre la lumière polarisée aux différents capteurs interférométriques. Le document EP-A-00438 237 décrit une configuration de multiplexage pour un réseau de capteurs optiques de pression. Le dispositif selon ce document comporte un ensemble de coupleurs optiques entre la diode laser et le réseau de capteurs optiques, chacun de ces coupleurs divisant par un coefficient fixe donné la lumière qu'il reçoit, pour répartir identiquement la lumière émise par la diode laser entre les différents capteurs optiques. Dans ce dispositif, chacun des capteurs fonctionne en coupleur optique variable avec la pression à mesurer, qui est représentée par l'intensité du signal de sortie en regard d'une référence d'intensité de lumière qu'il reçoit ou la différence d'intensité entre les signaux sur deux sorties du capteur optique.La ou les deux sorties des capteurs optiques sont reliées par un bus optique commun à une ou deux photodiodes communes de détection, la longueur des trajets optiques étant différente d'un capteur à un autre pour la détection de leurs signaux à la suite les uns des autres. Une telle configuration de multiplexage n'est pas utilisable pour des capteurs interférométriques fonctionnant en lumière incidente polarisée rectilignement. Son adaptation à un réseau de capteurs interférométriques exige d'utiliser un ensemble de coupleurs optiques à maintien de polarisation et des fibres optiques individuelles de liaison à maintien de polarisation, entre la diode laser alors associée à un polariseur rectiligne et le réseau de capteurs interférométriques. Le dispositif adapté résultant devient de coût relativement élevé et de réglage d'orientation d'état de polarisation à l'entrée de la fibre de mesure de chaque capteur difficile à réaliser. La présente invention a pour but de réaliser une configuration de multiplexage pour un réseau de capteurs interférométriques de mesure en lumière polarisée, qui permet d'obtenir un dispositif résultant simple, de coût relativement réduit et de mise en oeuvre aisée. Elle a pour objet un dispositif d'interrogation et d'analyse d'un réseau de capteurs interférométriques en lumière polarisée, dans lequel lesdits capteurs interférométriques comportent chacun une fibre de mesure d'une pression extérieure, présentant deux modes orthogonaux de polarisation, selon deux axes neutres transversaux de ladite fibre de mesure, et présentent une sensibilité définie à laquelle correspond une fréquence maximale de réponse de chaque capteur, ledit dispositif comportant des moyens d'émission de vibrations lumineuses polarisées rectilignement, transmises aux fibres de mesure des différents capteurs interférométriques et alors dites vibrations polarisées incidentes, et des moyens de réception et détection des signaux lumineux dits d'analyse provenant desdites fibres de mesure et étant caractérisé en ce que: : - lesdits moyens d'émission desdites vibrations polarisées sont constituées par: - une source lumineuse large spectre, - un premier démultiplexeur, couplé à ladite source large spectre, de découpage spectral de ladite source large spectre en N raies monochromatiques discrètes, chacune affectée à l'un desdits capteurs, - un premier coupleur optique monomode, relié audit premier démultiplexeur, pour regrouper lesdites N raies monochromatiques discrètes, et - un polariseur rectiligne relié audit premier coupleur optique, pour délivrer sur une sortie lesdites N raies polarisées rectilignement, - et en ce qu'il comporte en outre des moyens de séparation desdites N raies polarisées rectilignement, associés auxdits capteurs interférométriques et couplés à ladite sortie dudit polariseur rectiligne, pour délivrer lesdites vibrations polarisées incidentes de chacune des différentes raies polarisées à chaque capteur auquel la raie concernée est affectée. Ce dispositif présente avantageusement en outre au moins l'une des caractéristiques additionnelles suivantes: - ladite source est une diode électroluminescente ou une diode laser stabilisée délivrant lesdites N raies. - Il comporte en outre une liaison optique de transmission à distance, couplant la sortie dudit polariseur rectiligne auxdits moyens de séparation desdites N raies polarisées rectilignement, réalisée en fibre optique monomode conventionnelle, pour laquelle ledit polariseur rectiligne est constitué par un polariseur-modulateur de polarisation, commandé par un signal électrique sinusoïdal de modulation de polarisation, de fréquence dite élevée et supérieure à ladite fréquence de réponse desdits capteurs. - Ladite liaison optique est en outre couplée d'une part auxdits capteurs interférométriques à travers des moyens de regroupement de leurs signaux d'analyse et d'autre part auxdits moyens de réception et détection desdits signaux d'analyse. - Lesdits moyens de réception et détection desdits signaux d'analyse comportent un analyseur, dit croisé avec ledit polariseur et couplé à ladite liaison optique de transmission, un deuxième démultiplexeur, analogue audit premier démultiplexeur et monté entre ledit analyseur et des moyens de détection des signaux d'analyse séparés les uns des autres. - Il comporte des moyens de connexion démontables, reliant d'une part ladite sortie dudit polariseur et d'autre part un accès d'entrée desdits moyens de réception et détection des signaux d'analyse à ladite liaison de transmission, ces moyens de connexion étant de préférence montés sur un boîtier regroupant en une tête optoélectronique lesdits moyens d'émission et lesdits moyens de réception et détection. - Lesdits premier et deuxième démultiplexeurs, ledit premier coupleur optique, ledit polariseur-modulateur de polarisation et ledit analyseur sont réalisés sur un même substrat d'optique intégrée, sur lequel ils sont directement couplés les uns aux autres par des tronçons de guide d'onde en optique intégrée. Les caractéristiques et les avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en regard de la figure unique du dessin ci-annexé. Cette figure unique est une représentation schématique d'un exemple préféré de réalisation du dispositif d'interrogation et d'analyse d'un réseau de capteurs interférométriques de mesure en lumière polarisée, selon l'invention. Le dispositif illustré dans cette figure comporte un réseau de N capteurs interférométriques de pression 1A à 1N du type à fibre optique de mesure en lumière polarisée rectilignement, non illustrée. Il comporte, pour l'interrogation à distance des N capteurs: - une source lumineuse large spectre 2, de préférence une diode électroluminescente qui constitue en tant que telle une source de lumière incohérente, peu sensible aux perturbations, ou pouvant en variante être une diode laser stabilisée dont le faisceau d'émission comporte N raies, - un démultiplexeur optique 3, constitué en particulier par un réseau de diffraction tel qu'un réseau de Bragg, à 1 accès d'entrée 4 relié à la source 2 et N accès de sortie 5A à 5N, assurant le découpage spectral du faisceau émis par la source et reçu sur son accès d'entrée en N raies monochromatiques discrètes, qui sont disponibles sur ses N accès de sortie, ces N raies étant équivalentes à N sources cohérentes, de longueurs d'ondes différentes les unes des autres, affectées individuellement aux N capteurs, - un coupleur optique monomode 6, à N voies reliées aux N accès de sortie 5A à 5N et une voie de sortie 7, concentrant les N raies sur la voie de sortie 7, - un polariseur-modulateur de polarisation 8, relié à la voie de sortie 7 du coupleur 6, assurant la polarisation rectiligne des N raies et la modulation de leur état de polarisation, - un coupleur optique monomode 9, relié à la sortie du polariseur-modulateur de polarisation, et - une liaison optique de transmission à distance 10, réalisée en fibre optique monomode conventionnelle, reliant le coupleur 9 aux N capteurs. Un démultiplexeur optique 11, analogue au démultiplexeur 3 précité, a ses N accès de sortie reliés par N tronçons de fibres optiques conventionnelles 12A à 12N aux N capteurs, son accès d'entrée étant relié à la liaison 10. Ce dispositif comporte pour la transmission et la réception des signaux dits d'analyse, provenant des N capteurs: - la liaison de transmission 10 et le coupleur optique 9 précités, - un analyseur 13, croisé avec le polariseur-modulateur de polarisation, relié à la liaison 10 à travers le coupleur 9, - un démultiplexeur optique 14, de même type que les démultiplexeurs 11 et 3, relié à la sortie de l'analyseur, discriminant les signaux d'analyse des différents capteurs, et - N photodiodes 15A à 15N, reliées aux N accès de sortie 16A à 16N du démultiplexeur 14, l'entrée de ce démultiplexeur étant notée 17. En variante non illustrée, N tronçons de fibres optiques monomodes conventionnelles, de longueurs différentes, acheminent les signaux d'analyse discriminés et les décalent les uns des autres, et un coupleur terminal transmet des signaux d'analyse décalés à une photodiode commune de détection. Dans le dispositif illustré, les capteurs 1A à 1N ont l'un de leurs deux accès monté en réflexion, l'autre accès de chacun d'eux étant un accès d'entrée/sortie recevant les vibrations lumineuses polarisées rectilignement incidentes et délivrant le signal d'analyse du capteur considéré. Le démultiplexeur 11 sépare les vibrations polarisées rectilignement, selon leurs longueurs d'onde, et regroupe les signaux d'analyse qu'il reçoit. La liaison 10 est alors constituée par une seule fibre monomode conventionnelle de transmission des vibrations polarisées et des signaux d'analyse et le coupleur 9 par une jonction en Y. En variante, dans le dispositif, les capteurs interférométriques peuvent fonctionner en transmission et ont dans ces conditions l'un de leurs deux accès relié au démultiplexeur il et leur autre accès relié à un coupleur optique regroupant les signaux d'analyse des différents capteurs. La liaison 10 est alors constituée par deux fibres optiques monomodes conventionnelles, l'une de transmission des vibrations polarisées rectilignement vers les capteurs et l'autre de transmission de leurs signaux d'analyse vers l'analyseur. Le coupleur optique 9 est une jonction à 2 voies d'entrée et 2 voies de sortie, ou peut être remplacée par deux connecteurs indépendants, l'un entre le polariseurmodulateur de polarisation et l'une des fibres de transmission et l'autre entre l'analyseur et l'autre fibre de transmission. Le fonctionnement de ce dispositif est expliqué ciaprès. Le découpage spectral du faisceau émis par la source large spectre 2 permet d'obtenir N raies monochromatiques discrètes, indépendantes et cohérentes, qui sont contenues dans le faisceau lumineux large spectre initial et non polarisable dans ces conditions, et sont regroupées sur l'entrée du polariseur-modulateur de polarisation. La modulation de l'état de polarisation rectiligne de sortie du polariseur-modulateur de polarisation est assurée à une fréquence élevée, supérieure à la fréquence maximale de réponse des capteurs. Elle assure une rotation, à cette fréquence élevée, de l'état de polarisation de chacune des N raies. C'est cette rotation forcée d'état de polarisation, à la fréquence élevée, qui permet de transmettre correctement chacune des vibrations polarisées rectilignement à chaque capteur concerné, via le coupleur optique 9, la liaison 10 par fibre monomode conventionnelle et le démultiplexeur 11. En effet, bien qu'une telle fibre monomode conventionnelle présente en tout point un état de polarisation défini par ses axes neutres orthogonaux en ce point, cet état de polarisation est variable d'un point à un autre, du fait d'imperfections de construction et d'absence de symétrie de ces imperfections le long de cette fibre. Il s'avère en conséquence que cet état de polarisation d'un point quelconque et en particulier du point de sortie de cette fibre est tout à fait aléatoire et ne peut pas être déterminé relativement à son point d'entrée. Cette rotation forcée de l'état de polarisation rectiligne injecté dans la fibre monomode conventionnelle permet de s'affranchir de l'état aléatoire de polarisation de sortie de cette fibre relativement à celui d'entrée, en l'absence de modulation. Elle permet ainsi d'obtenir, à cette fréquence élevée, des vibrations incidentes polarisées rectilignement sur l'entrée de chaque capteur, avec une orientation optimale souhaitée, qui est définie à 45" par rapport aux deux axes neutres transversaux de la fibre de mesure du capteur. Elle compense simultanément, en outre, le mésalignement angulaire de couplage introduit par le coupleur optique amont 9 et le démultiplexeur aval 11, relativement à cette orientation optimale de l'état de polarisation à l'entrée de chaque capteur. Cette rotation est en particulier assurée à une fréquence de l'ordre de 300 kHz, pour une fréquence maximale de réponse des capteurs de l'ordre de 100 kHz. Les deux modes orthogonaux ou composantes orthogonales des vibrations polarisées rectilignement incidentes, reçues par la fibre de mesure de chaque capteur, sont excités identiquement. Ils se propagent alors dans la fibre de mesure en étant déphasés en fonction de la biréfringence introduite dans cette fibre de mesure par la pression extérieure appliquée sur ce capteur. Ce déphasage donne lieu aux interférences lumineuses entre les composantes orthogonales, initialement cohérentes temporellement et spatialement, qui après propagation se recombinent pour être détectées dans le signal d'analyse provenant de chaque fibre de mesure et traversant l'analyseur. Les signaux d'analyse des différents capteurs sont regroupés dans le démultiplexeur 11, fonctionnant en coupleur pour ces signaux, et sont transmis, via la liaison 10 et le coupleur 9 à l'analyseur croisé 13 pour leur observation. Ils sont séparés en fonction de leurs différentes longueurs d'onde dans le démultiplexeur 14, pour la détection des interférences lumineuses dans chacun d'eux par les photodiodes 15A à 15N. Cette même figure montre en outre que les éléments 2 à 9 et 13 à 17 sont regroupés de manière avantageuse dans un boîtier 20 constituant une tête optoélectronique et que de préférence ces éléments, exceptés la diode électroluminescente 2 et les photodiodes 15A à 15N, sont réalisés sur un même substrat d'optique intégrée 21, en particulier en niobiate de lithium. Sur ce substrat, les différents accès 4, 5A à 5N 7, 17 et 16A à 16N, et les coupleurs 6 et 9 sont constitués par des tronçons de guides d'ondes circulaires, réalisés en optique intégrée, avec le coupleur 9 formant une jonction en Y entre les deux tronçons 7 et 17. Il en est de même pour les deux réseaux de diffraction 3 et 14, réalisés en optique intégrée et chacun constitué ainsi que schématisé par un ensemble de sillons 3' ou 14' recevant le faisceau lumineux de leur tronçon de guide 4 ou 17. Le polarisateur-modulateur de polarisation 8 est quant à lui réalisé sur le substrat 21 en associant une électrode centrale 27 et deux électrodes symétriques, de part et d'autre, 28 et 29 au tronçon de guide d'ondes 7. L'électrode centrale 27 dite de commande de polarisation rectiligne reçoit une tension continue de commande. L'électrode latérale 28 dite électrode de modulation de polarisation reçoit simultanément une tension sinusoïdale de commande, à la fréquence élevée de modulation. La troisième électrode 29 dite de référence est mise à la masse. L'analyseur 13 est réalisé de manière analogue sur le guide d'ondes 17 du substrat 21, en lui associant deux électrodes 31 et 32, symétriquement de part et d'autre du tronçon de guide d'ondes 17, pour sa commande en analyseur croisé avec le polariseur-modulateur de polarisation considéré fonctionnant en simple polariseur. Avantageusement un connecteur 35 formé de deux demiconnecteurs est porté par l'une des parois du boîtier 20 et assure la connexion de la tête optoélectronique à la liaison de transmission 10, pour leur déconnexion possible. Il permet en outre, par rotation du demi-connecteur terminal de la liaison 10 dans le demi-connecteur fixe sur le boîtier 20, l'obtention des variations maximales d'intensité lumineuse des interférences dans chacun des signaux d'analyse transmis par la liaison 10 et traversant l'analyseur, de plan d'observation défini et fixe. En regard de la variante indiquée ci-avant, pour un réseau de capteurs interférométriques fonctionnant en transmission et non pas réflexion, on précise que le coupleur optique 9 peut être supprimé et que le connecteur 35 est remplacé par deux connecteurs indépendants, tous deux portés par le boîtier et reliant de manière démontable la tête optoélectronique aux deux fibres de la liaison 10. Les capteurs 1A à 1N sont en nombre limité égal au nombre de raies ou longueurs d'onde obtenues par découpage spectral, avec une énergie lumineuse suffisante de chacune d'elles. REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'interrogation et d'analyse d'un réseau de capteurs interférométriques en lumière polarisée, dans lequel lesdits capteurs interférométriques comportent chacun une fibre de mesure d'une pression extérieure, présentant deux modes orthogonaux de polarisation, selon deux axes neutres transversaux de ladite fibre de mesure, et présentent une sensibilité définie à laquelle correspond une fréquence maximale de réponse de chaque capteur, ledit dispositif comportant des moyens d'émission de vibrations lumineuses polarisées rectilignement, transmises aux fibres de mesure des différents capteurs interférométriques et alors dites vibrations polarisées incidentes, et des moyens de réception et détection des signaux lumineux dits d'analyse provenant desdites fibres de mesure et étant caractérisé en ce que:: - lesdits moyens d'émission desdites vibrations polarisées rectilignement sont constituées par: - une source lumineuse large spectre (2), - un premier démultiplexeur (3), couplé à ladite source large spectre, de découpage spectral de ladite source large spectre en N raies monochromatiques discrètes, chacune affectée à l'un desdits capteurs (lA61N), - un premier coupleur optique monomode (6), relié audit premier démultiplexeur (9), pour regrouper lesdites N raies monochromatiques discrètes, et - un polariseur rectiligne (8) relié audit premier coupleur optique, pour délivrer sur une sortie lesdites N raies polarisées rectilignement, - et en ce qu'il comporte en outre des moyens de séparation desdites N raies polarisées rectilignement (11), associés auxdits capteurs interférométriques et couplés à ladite sortie dudit polariseur rectiligne, pour délivrer lesdites vibrations polarisés incidentes de chacune-des différentes raies polarisées à chaque capteur, auquel la raie concernée est affectée. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite source lumineuse (2) est une diode électroluminescente ou une diode laser d'émission des N raies. 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit premier démultiplexeur (3) est un réseau de diffraction. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une liaison optique de transmission à distance (10), couplant la sortie dudit polariseur rectiligne (8) auxdits moyens de séparation desdites N raies polarisées rectilignement (11), réalisée en fibre optique monomode conventionnelle, et en ce que ledit polariseur rectiligne (8) est constitué par un polariseurmodulateur de polarisation, commandé par un signal électrique sinusoïdal de modulation de polarisation, de fréquence dite élevée et supérieure à ladite fréquence de réponse desdits capteurs. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite liaison optique de transmission (10) est en outre couplée d'une part auxdits capteurs interférométriques (1A- 1N) à travers des moyens de regroupement de leurs signaux d'analyse (11) et d'autre part auxdits moyens de réception et détection desdits signaux d'analyse (13-15). 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de réception et détection desdits signaux d'analyse (13-15) comportent un analyseur (13), dit croisé avec ledit polariseur et couplé à ladite liaison optique de transmission (10), un deuxième démultiplexeur (14), analogue audit premier démultiplexeur, couplant ledit analyseur (13) à des moyens de détection (15) des signaux d'analyse séparés les uns des autres. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de connexion démontables (35), reliant d'une part ladite sortie dudit polariseur (8) et d'autre part un accès d'entrée desdits moyens de réception et détection des signaux d'analyse (13-15) à ladite liaison de transmission (10). 8/ Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que lesdits moyens d'émission de vibrations lumineuses polarisées rectilignement et lesdits moyens de réception et détection desdits signaux d'analyse sont montés dans un boîtier commun (10), en constituant une tête optoélectronique d'interrogation et d'analyse à distance dudit réseau de capteurs interférométriques. 9/ Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième démultiplexeur (3, 14), ledit premier coupleur optique (6), ledit polariseur-modulateur de polarisation (8) et ledit analyseur (13) sont réalisés sur un même substrat d'optique intégrée (21), sur lequel ils sont directement couplés les uns aux autres par des tronçons de guide d'ondes en optique intégrée (4, 5A-5N, 7, 17, 16A-16N).