Brevet FR2819061A1 — publié le 20020705

DISPOSITIF DE CONTROLE DE POLARISATION DANS UNE LIAISON OPTIQUE La présente invention se rapporte à un dispositif de contrôle de polarisation dans une liaison optique. Le contrôle de la polarisation dans des liaisons optiques constitue un objectif prioritaire pour les futurs réseaux à fibres à très haut débit mettant en oeuvre les techniques de multiplexage en longueur d'onde. En effet, un certain nombre de composants actifs du réseau à fibres optiques sont sensibles à l'état de polarisation de l'onde, en particulier les amplificateurs à fibres ou à semiconducteurs, les commutateurs ou modulateurs externes LiNbO3. Ces derniers fonctionnent généralement dans les meilleures conditions avec une polarisation incidente linéaire de l'onde et de plus, cette direction de polarisation doit être maintenue parallèle à l'un des axes électrooptiques du modulateur. Par ailleurs, une autre application très importante concerne la compensation de dispersion de polarisations. On connaît des dispositifs électro-optiques de contrôle de polarisation, mais ces dispositifs ne permettent pas d'effectuer un contrôle total de la polarisation, c'est-à-dire un contrôle de la rotation des axes de polarisation et de la biréfringence pour chaque direction d'axe. De même, les dispositifs optomécaniques connus ne permettent pas de contrôle total et leur temps de réaction est trop élevé. La présente invention a pour objet un dispositif de contrôle de polarisation dans une liaison optique, dispositif qui permette de contrôler à la fois la rotation des axes de polarisation et de la biréfringence pour chaque direction d'axe, qui ait un temps de réponse très court (par exemple de l'ordre de 1 à quelques microsecondes environ), qui soit compact et provoque des pertes d'insertion négligeables. Le dispositif conforme à l'invention comporte dans la liaison optique dont on désire contrôler la polarisation au moins un bloc de matériau électro-optique à biréfringence variable sous l'effet d'un champ électrique, des électrodes étant disposées sur au moins une face de ce bloc et étant reliées à un circuit permettant de faire varier les tensions électriques appliquées à ces électrodes en fonction de la rotation désirée des axes de polarisation. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel : les figures 1 et 1A sont respectivement une vue simplifiée, en perspective, d'un dispositif de contrôle conforme à l'invention, et un diagramme montrant les caractéristiques d'une polarisation d'onde optique dans le dispositif de la figure 1 ; la figure 2 est une vue en plan d'un premier mode de réalisation d'un bloc électro-optique pouvant être utilisé dans le dispositif de la figure 1 ; 'tes figures 3 et 4 sont respectivement une vue schématique de face et une vue schématique en coupe du bloc de la figure 2, cette dernière montrant, de façon simplifiée, le parcours des lignes de champ électrique à l'intérieur du bloc ; . la figure 5 est un ensemble de trois diagrammes montrant, de façon simplifiée, revolution des lignes de champ électrique dans le bloc de la figure 2, en fonction de diverses tensions appliquées à ses électrodes ; # les figures 6 et 7 sont des schémas de variantes de réalisation du bloc de la figure 2 ; # la figure 8 est un schéma montrant le montage en cascade de trois blocs électro-optiques, conformément à l'invention ; . les figures 9 et 10 sont respectivement une vue en coupe et une vue en plan d'une variante de réalisation du bloc électro- optique conforme à l'invention, à électrodes déposées sur deux faces opposées du bloc ; * ! a figure 11 est une vue en plan d'une autre variante de réalisation du bloc électro-optique conforme à l'invention, à six électrodes ; et . les figures 12 à 14 sont des vues schématiques en coupe d'une autre variante d'un bloc électro-optique conforme à l'invention, à matériau de type PDLC . L'invention est décrite ci-dessous en référence au contrôle de la polarisation d'une onde optique se propageant dans la partie optique (en particulier dans des fibres optiques) d'un réseau de télécommunications à très haut débit, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à cette seule application, et qu'elle peut être mise en oeuvre dans de nombreuses autres applications où l'on désire modifier la polarisation d'une onde optique ou asservir cette polarisation. On a schématiquement représenté en figure 1 les éléments essentiels du dispositif 1 de l'invention. Ce dispositif 1 est inséré sur le trajet d'un faisceau optique véhiculé, dans le cas présent, par des fibres optiques : une fibre optique 2 par laquelle arrive le faisceau optique dont on veut traiter la polarisation 2A, et une fibre optique 3 par laquelle repart le faisceau optique traité 3A par le dispositif 1. Pour la clarté du dessin, on n'a pas représenté les éléments optiques de couplage du faisceau optique entre les fibres 2,3 et le dispositif 1. Ce dispositif 1 comporte essentiellement un bloc électro-optique 4 et des circuits électroniques 5 d'adressage des électrodes du bloc 4. Le bloc 4 est un bloc, par exemple en forme de parallélépipède rectangle en matériau biréfringent pouvant compenser à chaque instant, sous l'effet d'un champ électrique, les dérives de l'état de polarisation du faisceau optique provenant de la fibre optique 2. Dans l'application considérée (ici, un réseau de télécommunications), les évolutions de l'état de polarisation du faisceau optique peuvent être très rapides (variations en quelques microsecondes ou millisecondes) et sont dues à des variations de nombreux paramètres, en particulier la température, les contraintes mécaniques imposées aux fibres optiques, à la reconfiguration du réseau, etc... Le dispositif 1, avec un bloc électro-optique tel que décrit ci-dessous permet d'obtenir un temps de réponse très court (de l'ordre de 1 à quelques microsecondes) vis-à-vis des variations de polarisation du faisceau optique 2A. Le dispositif 1 transforme toute forme de polarisation 2A en une autre forme de polarisation 2B. Comme représenté en figure 1A, une forme de polarisation elliptique est caractérisée par deux angles : a et ss. L'angle a est celui déterminé par les axes Ox et OA (diagonale du rectangle circonscrit à l'ellipse). En d'autres termes, le dispositif 1 contrôle de façon indépendante la direction de l'axe de l'ellipse et son ellipticité, quelle que soit la polarisation incidente 2A. Selon l'art antérieur (voir par exemple F. Heismann : Anatysis of a reset-free polarization controller for fast automatic polarization stabilization in fiber optic transmission systems , Journal of Lightwave Technique, 12,690, 1994, ainsi que F. Heismann, M. S. W. Whaten : Fast automatic polarization control , IEEE Photonics Tech. Lett. 4,503, 1992), le contrôle de polarisation devait se faire par association de lames biréfringentes dont on contrôle la rotation des axes respectifs, ce qui implique des temps de réponse prohibitifs. Par contre, la présente invention fait appel à un bloc électro-optique 4, sur les électrodes duquel il suffit d'appliquer des tensions électriques appropriées pour contrôler la direction de l'axe et la biréfringence de son matériau. Ce dispositif 1 utilise la libre propagation du faisceau optique. Le matériau électro-optique constituant le bloc 4, est de préférence, un matériau dont le coefficient de KERR a une valeur élevée (par exemple de l'ordre de 10. 10mV). Ce matériau est par exemple une céramique PLZT (Pb-La-Zn-TiOs). De façon générale, sous l'application d'un champ électrique transverse généré par deux électrodes déposées sur un matériau électro-optique, on obtient une lame de phase biréfringente dont les indices nx, ny suivant deux axes orthogonaux Ox, Oy valent respectivement : r\=n. + n RE' n,-n ny = n. expressions dans lesquelles R est le coefficient de KERR du matériau considéré, E la tension électrique entre les électrodes et no l'indice du matériau en l'absence de champ électrique. Pour obtenir une fonction de lame de phase à axe tournant, on réalise par exemple, un bloc 6 tel que celui représenté en figure 2. Ce bloc se présente sous forme d'un parallélépipède rectangle de faible épaisseur, dont les grandes faces sont des carrés. Sur l'une des grandes faces du bloc 6, on imprime ou fixe quatre électrodes, par exemple, identiques 7 à 10. Ces électrodes ont une forme de T , et leurs branches horizontales délimitent un carré au centre de la grande face. Ces électrodes 7 à 10 sont respectivement reliées à des potentiels électriques V1 à V4. La fonction lame de phase à axe tournant est obtenue par application aux électrodes 7 à 10 d'un champ électrique tournant (voir par exemple : P. Joffre : Mémoire de thèse Microstructures électro-optiques à cristaux liquides et applications , INPG, 1991). Ce champ tournant est produit par application, d'une part, au couple d'électrodes opposées 7 et 8 d'une différence de potentiels V1-V2 et d'autre part au couple d'électrodes opposées 9 et 10 d'une différence de potentiels V3-V4, ces potentiels étant variables. On a représenté en figure 3, la trace 11 du faisceau optique provenant de la fibre 2, et en figure 4 les lignes de champ électrique produit par deux électrodes opposées, par exemple 7 et 8. En figure 5, on a représenté trois exemples de lignes de champs électriques créés pour trois différentes combinaisons de potentiels appliqués aux électrodes 7 à 10 Respectivement, de gauche à droite sur la figure 5, on applique les potentiels suivants à ces électrodes 7 à 10 : (a) : 0, 0,-Vo, Vo (b) :-Vo,-Vo,-Vo, Vo (c) :-Vo, Vo, 0, 0 Dans le premier cas, ces lignes de champ sont, au centre du carré délimité par les électrodes 7 à 10, sensiblement verticales (comme vu sur le dessin), sensiblement parallèles à une diagonale du carré et sensiblement horizontales. Ainsi, au voisinage du centre du bloc 6, on obtient avec une bonne approximation l'équivalent d'un champ électrique tournant par rapport à ce centre. Ce champ réalise ainsi la fonction d'une lame de phase dont la rotation 0 de l'axe Ox suit la rotation du champ. Le bloc 6 peut être dénommé modulateur de la polarisation du faisceau incident provenant de la fibre 2. Les valeurs d'indices optiques nx et ny suivant les axes Ox et Oy (voir figures 1A et 2) du faisceau optique au plan d'incidence sur le bloc 6 sont : nx = no +R [Ex2 +Ey2] ny - no V -V E V3 - V2 avec Ex =---- Ey=-'-d d Et tag8 = es Ex Dans ces expressions : - 8 est l'angle de l'axe Ox de l'ellipse du faisceau à contrôler (ou corriger) avec l'axe du bloc 6 passant par les centres des électrodes 7 et 8 (axe de référence OEx) ; - d est la distance entre les électrodes 7 et 8 ou 9 et 10 (supposées disposées symétriquement par rapport au centre 0, sur lequel est centré le faisceau optique incident) ; - R est le coefficient de KERR du matériau du bloc 6 ; - no est l'indice optique du bloc 6 suivant Oy. La fonction de modulateur de phase du bloc 6, qui s'exerce à l'intérieur du carré délimité par les électrodes 7 à 10 et plus particulièrement au voisinage de son centre, est équivalente à une lame de phase à axe tournant d'un angle 0 et à biréfringence Ag variable. Ces paramètres sont donnés par les relations suivantes, en fonction des tensions V, à V4 appliquées aux électrodes 7 à 10 : e=artg V,-V, A d 2 nO d2 [(V2-V,) 2 + (V3-V2) 2] ^ 2 d L'axe de la lame de phase ainsi obtenue tourne à une vitesse angulaire Q déterminée par les relations suivantes : V4-V3 = VO cOs Ht V2-Vi = Vo sin Ht 1t 3 R 2 EtA (p=. nV À d En pratique, on peut réaliser le bloc 6 de plusieurs façons différentes. Un premier mode de réalisation consiste à utiliser un disque mince de céramique PLZT ayant une composition adaptée aux applications électro-optiques. Par exemple, la composition de cette céramique peut être Pb1 xLaxZryTi1 yO2 avec x = 0,09 et y = 0,65. Cette céramique possède un coefficient de KERR élevé avec un hystérésis négligeable. Sur une des faces de cette céramique (celle d'entrée du faisceau à corriger) on dépose deux paires d'électrodes (7-8 et 9-10), par exemple par dépôt métallique sous vide. Ces électrodes peuvent être en Au ou AI par exemple. Dans un exemple de réalisation, les valeurs des paramètres cités ci-dessus étaient les suivantes : 16 2 D = 100 um, = 1, 5 um, R = 10. 10m'V, no = 2, 5. On a obtenu une lame demi-onde (A (p n) pour Vo = 100 V et une lame quart d'onde (A (p = n/2) pour Vo = 50V. Le temps de réponse typique des dispositifs électro-optiques à céramique est de l'ordre de plus. Le bloc est obtenu à partir d'un substrat PLZT poli dont l'épaisseur est de 0,5 à 1 mm environ. Récemment, des méthodes de dépôt de couches de PLZT par des techniques sol-gel ou par épitaxie liquide ont été mises au point pour réaliser des composants de grandes dimensions (par exemple supérieures à 5 cm2). Comme indiqué sur la figure 6, on peut réaliser deux fonctions électro-optiques, par exemple des lames 1/2 et ./4 à axes tournant sur chaque face du substrat céramique 13 électro-optique. Sur chaque face de ce substrat, on imprime des électrodes qui ont, par exemple, la même configuration que celle représentée en figure 2. Ces électrodes sont référencées 14 dans leur ensemble sur une face du substrat 13, et 15 dans leur ensemble sur l'autre face. Une fibre optique monomode 16, se terminant par une optique de focalisation 17 (par exemple une microlentille à gradient d'indice) envoie un faisceau optique sur le centre de la face du substrat 13 portant les électrodes 14, tandis que le faisceau issu de l'autre face du substrat est recueilli par l'optique 18 (similaire ou identique à l'optique 17) couplée à une fibre optique monomode de sortie 19. Les électrodes 14 et 15 sont commandées par un circuit 20 de façon à constituer, par exemple, du côté des électrodes 14 une lame M à axe tournant, et du côté des électrodes 15 une lame #/2 à axe tournant. Bien entendu, d'autres combinaisons de lames de phase peuvent ainsi être réalisées. On a représenté en figure 7, une variante compacte du dispositif de la figure 6, cette variante utilisant des composants similaires à ceux de la figure 6, et affectés des mêmes références numériques suivies chacune d'un A . Le circuit de commande 20A, comme le circuit 20, contrôle les deux modulateurs comportant respectivement les électrodes 14A et 15A de façon à réaliser un fonctionnement sans fin des deux modulateurs (sans butée pour l'axe tournant). Pour satisfaire au mieux les contraintes opérationnelles qui obligent, dans les applications de télécommunications à haut débit par exemple, à suivre et à reconfigurer rapidement l'état de polarisation du réseau, on peut mettre en oeuvre un dispositif tel que le dispositif 21 représenté en figure 8 Ce dispositif 21 reçoit un faisceau optique d'une fibre optique 22 se terminant par une optique de focalisation 23 accolée à un premier modulateur 24 qui porte un ensemble d'électrodes 25. Le modulateur 24 est suivi d'une deuxième optique de focalisation 26, d'un deuxième modulateur 27 portant des électrodes 28, d'une troisième optique de focalisation 29, d'un troisième modulateur 30 portant des électrodes 31 et d'une quatrième optique de focalisation 32 couplée à une fibre optique de sortie 33 Les modulateurs 24,27 et 30, sont par exemple du type du modulateur de la figure 2. Les électrodes 25,28 et 31 sont reliées à un circuit 34 de commande. Chacun des modulateurs 24,27 et 30 agit en lame de phase électro-optique. Chacune de ces lames permet une rotation électrooptique de ses axes et/ou un contrôle électro-optique de sa biréfringence pour chaque direction d'axe, pour constituer un ensemble électro-optique à biréfringence et orientation variables. Le circuit de contrôle 34 applique aux différents jeux d'électrodes 25,28 et 31 des tensions permettant de réaliser, de façon connue en soi, la fonction de contrôle de polarisation du faisceau incident. Le matériau constituant le bloc électro-optique de l'invention peut être non seulement du PLZT, mais tout matériau présentant un coefficient électro-optique (coefficient de KERR) élevé. Ce peut être, par exemple, une céramique telle que PbSZT, BLTN, SBN,... ou bien une couche polymère électro-optique, ou un dispositif à cristaux liquides (mais il faut noter que les cristaux liquides ont un temps de réponse trop élevé, bien supérieur à quelques uns), ou bien encore du PDLC ( Po ! ymer Dispersed Liquid Crystal ), décrit ci-dessous en référence aux figures 12 à 14. On a représenté en figures 9 et 10 une variante du dispositif modulateur de l'invention, pour laquelle des électrodes identiques 35,36 sont disposées sur les deux faces d'un substrat électro-optique 37. Cette variante est utilisée ici non pour combiner deux lames de phase (./4 et ./2 par exemple), mais pour augmenter l'efficacité du modulateur. En effet, chaque configuration d'électrodes 35, 36, est commandée par la même combinaison de tensions appliquée à ces électrodes 35,36 et présente une épaisseur active (el, e2 respectivement en figure 9), c'est-à-dire l'épaisseur de matériau électro-optique, à partir du plan des électrodes, pour laquelle le champ électrique créé par ces électrodes est efficace vis-à-vis du contrôle de la polarisation du faisceau optique traversant le substrat 37. Ainsi, au lieu d'avoir une seule épaisseur active e1 ou e2, les deux concourent au contrôle de la polarisation. Une autre variante du dispositif de l'invention est représentée en figure 11. Selon cette variante, le nombre d'électrodes formées sur une face d'un substrat 38 est supérieur à quatre. Dans le mode de réalisation de la figure 11, ce nombre est de six. Ces électrodes sont référencées 39 à 44, et elles sont disposées régulièrement autour du centre de la face du substrat 38, délimitant ainsi un hexagone. Grâce à ce plus grand nombre d'électrodes, on obtient, pour une tension plus faible appliquée sur chaque électrode (plus faible que dans le cas de quatre électrodes), un champ électrique résultant, au centre de l'hexagone, à la fois plus élevé et plus uniforme. La complexité du dispositif de commande des électrodes est plus grande que dans le cas d'une configuration à quatre électrodes. Bien entendu, on pourrait envisager de disposer sur la face d'un substrat électrooptique un nombre encore plus grand d'électrodes, mais la complexité du dispositif de commande électrique serait encore plus grande. Il faut donc rechercher pour chaque application un compromis entre la complexité du dispositif de commande et l'efficacité du modulateur. Selon encore une autre variante du dispositif de l'invention, le matériau constituant le bloc électro-optique de type PLZT est remplacé par un matériau PDLC particulier, dit à nano gouttes ( nano droplets ). Ce matériau, schématiquement illustré en figures 12 à 14, comporte des gouttelettes 45 de cristal liquide incluses dans une matrice polymère 46 (figure 12) par un procédé de polymérisation rapide, par exemple sous éclairement UV. Il est alors possible d'obtenir des gouttes de cristal liquide dont la taille est nettement inférieure à 1 um. Bien que le milieu ainsi obtenu soit inhomogène et que l'indice du cristal liquide et du polymère soient différents, le milieu n'est pas pour autant diffusant. En effet, les gouttes 45 ont dans le cas présent une taille largement inférieure à la longueur d'onde du faisceau optique traversant le milieu. Tout se passe donc comme si on était en présence d'une céramique électro-optique isotrope L'effet électro-optique, dans ce cas, résulte de la réorientation, sous l'effet d'un champ électrique, des molécules de cristal liquide présentes dans les gouttes. Ce phénomène est illustré en figures 13 et 14. En figure 13, on a représenté schématiquement quelques molécules de cristal liquide, qui, en l'absence de champ électrique, sont aléatoirement orientées. Lorsque l'on applique une tension électrique aux électrodes 47, on crée dans le milieu 46 un champ électrique, et les molécules s'orientent parallèlement aux lignes de champ électrique 48. La biréfringence de ce dispositif PDLC est de l'ordre de quelques 10-3 pour des tensions appliquées aux électrodes 46 de l'ordre de quelques dizaines à une centaine de Volts, l'espace inter-électrodes (d) ayant une dimension de l'ordre de 100 um. Les temps de réponse obtenus avec ce type de matériau sont de l'ordre d'une dizaine à quelques dizaines de us pour des épaisseurs de matériau de quelques centaines de um. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle de polarisation dans une liaison optique, caractérisé par le fait qu'il comporte, dans la liaison optique dont on désire contrôler la polarisation, au moins un bloc de matériau électro-optique (6,13, 13A, 24,27, 30,37, 38,46) à biréfringence variable sous l'effet d'un champ électrique, des électrodes (7 à 10,14, 15,14A, 15A, 25,28, 31,35, 36,39 à 44,46) étant disposées sur au moins une face de ce bloc et étant reliées à un circuit (5,20, 34) permettant de faire varier les tensions électriques appliquées à ces électrodes en fonction de la rotation désirée des axes de polarisation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau électro-optique est isotrope en l'absence de champ électrique appliqué, l'orientation des axes neutres dudit matériau et la biréfringence dudit matériau étant commandables par champ électrique. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le matériau électro-optique est l'un des matériaux suivants : PLZT, PbSZT, BLTN, SBN, couche polymère électro-optique, cristaux liquides, PDLC à nanogouttes . 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le bloc électro-optique (13,13A) comporte sur chacune de ses faces principales des électrodes (14,15, 14A, 15A) déterminant sur chacune de ces faces une lame de phase à axe tournant. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs blocs en cascade sur le même trajet optique (26,29, 32), chacun de ces blocs étant muni d'électrodes (25, 28, 31) de manière à réaliser un contrôle sans butée de la polarisation. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le contrôle de polarisation est un asservissement d'une direction de polarisation d'un faisceau optique.