Brevet FR2821680A1 — publié le 20020906

DISPOSITIF DE CONTROLE DE LA DISPERSION DE POLARISATION DANS LES RESEAUX A FIBRES OPTIQUES La présente invention se rapporte à un dispositif de contrôle de la dispersion de polarisation dans les réseaux à fibres optiques. Dans les réseaux de transmission d'informations à haut débit, il se produit généralement un retard entre deux états propres de polarisation, ce retard étant fluctuant. Ces fluctuations du retard ont pour origine diverses fluctuations locales de biréfringence linéaire et circulaire des fibres optiques dues à des contraintes exercées sur les fibres, à des microcourbures des fibres, à des variations de température ambiante,... Les dispositifs actuellement utilisés pour compenser ces retards ne produisent qu'une compensation fixe pour une valeur moyenne de retard. La présente invention a pour objet un dispositif permettant de contrôler et de compenser le temps de retard entre deux composantes de polarisation linéaires et orthogonales entre elles, et ce, quel que soit le retard et quelles que soient ses variations ou fluctuations, avec un temps de réponse le plus court possible, à l'aide de composants couramment disponibles. Le dispositif de contrôle conforme à l'invention comporte un dispositif séparateur des deux composantes orthogonales de polarisation sur une des voies de sortie duquel est disposé un dispositif déviateur suivi d'un réseau diffractif, l'autre voie étant transmise directement, au moins un composant à action optique assurant la recombinaison des deux composantes sans retard mutuel. 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 : - la figure 1 est un diagramme explicatif du principe de compensation de retard mis en oeuvre par la présente invention ; - la figure 2 est un bloc-diagramme d'un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention ; - les figures 3 et 5 sont des blocs-diagrammes d'autres modes de réalisation du dispositif de l'invention ; - la figure 4 est une vue de côté d'un réseau de micro-miroirs en escalier pouvant être utilisés dans le dispositif de l'invention à la place du réseau holographique réflecteur ; - la figure 6 est un bloc-diagramme simplifié d'un circuit incorporant le dispositif de l'invention. L'invention est décrite ci-dessous en référence à la compensation automatique de la dispersion de polarisation (dite PMD ) dans un réseau de transmission d'informations numériques à haut débit sur fibre optique, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à cette seule application et qu'elle peut être mise en oeuvre dans d'autres domaines où l'on a à compenser des retards, automatiquement ou non, entre des polarisations optiques. On a schématiquement représenté en figure 1 les deux composantes décalées linaires et orthogonales 1 et 2 d'une onde optique. La composante 1 est en avance d'un temps T par rapport à la composante 2. Après passage par le dispositif 3 de contrôle de l'invention, on obtient une polarisation dont les composantes orthogonales 1A et 2A ne sont plus décalées entre elles. Le dispositif 3 a donc retardé la composante 1 d'un temps T. Le dispositif 3 est un dispositif de compensation de temps de retard et de contrôle de ce temps de retard (dans le sens où il en suit les variations ou fluctuations) et sera appelé par la suite dispositif de contrôle. Le dispositif 4 représenté en figure 2 est un premier mode de réalisation du dispositif 3 de la figure 1. Ce dispositif 4 reçoit d'une fibre optique 5 un signal optique à corriger qui arrive sur un cube 6 séparateur de polarisations. Ce cube 6 est réalisé, de façon connue en soie, de deux prismes accolés, à interface semi-réfléchissante. Ce signal optique incident comporte une composante de polarisation 5A qui se trouve dans un plan perpendiculaire à la direction de déplacement (à la sortie de la fibre optique 5) du signal optique et perpendiculaire au plan du dessin, et une composante 5B qui se trouve dans un second plan, perpendiculaire au précédent (ce second plan étant le plan du dessin). La composante 5B est supposée être en retard d'un temps-c sur la composante 5A. La composante 5A est renvoyée par le cube 6 dans une direction perpendiculaire à celle qu'elle avait juste avant d'entrer dans le cube, tout en restant perpendiculaire au plan du dessin. A la sortie du cube 6, la composante 5A traverse une lame quart d'onde 7 et un déviateur 8 de composantes spectrales qui est dans le cas présent, un déviateur acousto- optique, mais qui pourrait être par exemple un micro-miroir. Ce déviateur 8 fonctionne en mode isotrope. Il dévie le faisceau selon un angle compris dans un secteur angulare d'ouverture AO qui est fonction de l'excursion de la fréquence d'adressage Af du déviateur. La fréquence instantanée f d'adressage du déviateur est comprise dans les limites suivantes : fo-Af (f (fo + Af 2 2 fo étant la fréquence centrale d'adressage, c'est-à-dire celle correspondant à Ao/2, et AG est donné par : Ivs. Af (X : longueur d'onde du faisceau optique et vs = vitesse du son dans le bloc déviateur). Le centre de déviation (ou sommet du secteur d'ouverture AO), référencé 8A, du bloc 8 déviateur est situé dans le plan focal d'une lentille convergente 9, disposée en aval du déviateur 8. La lentille 9 est suivie d'un réseau de diffraction 10 disposé obliquement par rapport à l'axe optique de la lentille 9. Ce réseau 10 est supporté par exemple par un prisme 11, dont la face d'entrée est perpendiculaire à l'axe optique de la lentille 9. Par ailleurs, la composante de polarisation 5B n'est pas déviée par le cube séparateur 6, et se propage à la sortie de ce cube selon la même direction qu'à l'entrée du cube. On dispose, à la sortie du cube 6 une lame quart d'onde 12 sur le trajet de la composante 5B, cette lame étant suivie d'un miroir 13 disposé perpendiculairement au trajet de cette composante. Eventuellement, si l'on ne peut pas éloigner suffisamment le miroir 13 du cube 6, on intercale entre la lame 12 et le miroir 13 un bloc optique 14 d'indice optique suffisamment élevé pour augmenter la longueur du trajet équivalent. Ce dispositif 4 fonctionne de la façon suivante. La composante 5A, qui est en avance d'un temps i sur la composante 5B, est envoyée par le cube 6 vers le déviateur 8. Elle est plus ou moins déviée par celui-ci, en fonction du retard T que l'on veut lui appliquer pour la remettre en phase avec la composante 5B. Bien entendu, un dispositif de mesure, non représenté, détermine ledit temps't, et est inclus dans une boucle d'asservissement, non représentée non plus, qui agit sur la fréquence appliquée au déviateur 8 pour lui faire dévier la composante 58 de la valeur désirée. Cette valeur désirée est fonction de l'angle a que fait le réseau 10 avec la direction 8B de propagation du faisceau optique non dévié à la sortie du déviateur 8. En effet, plus l'angle de déviation instantané 0 produit par le déviateur 8 est important, plus le trajet parcouru par la composante 5A est long, et plus est important le retard appliqué à cette composante. Bien entendu, comme représenté sur le dessin, le réseau 10 est orienté de telle façon que l'angle a, mesuré du côté vers lequel est dévié le faisceau de sortie du déviateur 8 soit obtus (le déviateur 8 étant disposé et commandé de façon que lorsqu'il dévie son faisceau d'entrée, celui-ci ne soit dévié que d'un côté de la direction 8B). Ceci signifie que plus le faisceau d'entrée du déviateur 8 est dévié, plus son trajet aller (du point 8A jusqu'au réseau réfléchissant 10) et retour (trajet inverse) s'allonge, son trajet le plus court correspondant à la direction non déviée 8B. Après réflexion sur le réseau 10, la composante 5A repasse par le point 8A (qui est dans le plan focal de la lentille 9), traverse la lame 7, puis le cube 6 sans changer de direction, et aboutit à la fibre optique de sortie 15. De son côté, la composante 5B, après sa première sortie du cube 6, traverse la lame 12, se réfléchit sur le miroir 13, re-traverse la lame 12 et est renvoyé par le cube 6 dans une direction perpendiculaire à celle qu'il avait après réflexion sur le miroir 13, c'est-à-dire la même direction que celle de la composante 5A après la deuxième traversée du déviateur 8, mais dans un sens opposé au déviateur, c'est-à-dire vers une fibre optique de sortie 15. Le dispositif 4 décrit ci-dessus rempli sa fonction de correction, si, d'une part, la position du miroir 13 (éventuellement avec interposition du bloc 14) est réglée de façon qu'à la sortie du bloc 6 la composante 5B soit en phase avec la composante 5A lorsque cette dernière est en phase avec elle à la sortie de la fibre optique 5, et d'autre part si, lorsqu'il y a un retard de 5B par rapport à 5A, la fréquence du signal appliqué au déviateur 8 est telle que l'angle de déviation 0 permet d'allonger le trajet aller-retour entre le point 8A et le réseau réflecteur 10 (par exemple : trajet 8C) pour retarder la composante 5A d'une valeur égale au retard T entre les composantes 5A et 5B mesuré juste avant la première incidence sur le cube 6. On a représenté sur deux vues partielles de la figure 2, deux modes de réalisation possibles du réseau 10. Le mode de réalisation référencé 10A dans son ensemble est le même que celui de la vue principale. Il représente le mode à réflexion uniquement, pour lequel le réseau 10 est équivalent à un miroir. Le mode de réalisation référencé 10B comporte un réseau 10'fonctionnant en transmission (assimilable à une lame semi-réfléchissante). Ce réseau 10'est associé à un miroir classique 10c qui fait un angle de 450 avec lui, ce qui constitue l'équivalent du réseau réfléchissant 10, mais avec un chemin optique légèrement allongé. Le dispositif 16 représenté en figure 3 diffère essentiellement du dispositif 4 de la figure 2 par l'utilisation d'un déviateur à micro-miroir, de type MEMS , à la place du déviateur acousto-optique. Sur cette figure, les mêmes éléments que ceux du dispositif de la figure 2 ont été affectés des mêmes références numériques. Dans ce dispositif 16, les éléments relatifs au trajet de la composante SB sont les mêmes que dans le dispositif 4, seule la distance entre le miroir 13 et le cube 6 étant ajustée en fonction du trajet de la composante 5A. La composante 5A est réfléchie à 900 par le cube 6 vers un micromiroir 17 qui fait, en position de repos, un angle de 450 avec le trajet incident de la composante 5A provenant du cube 6. Sur le trajet du faisceau réfléchi par le micro-miroir 17, on dispose une lame quart d'onde 18 suivie d'une lentille convergente 19 dont le plan focal est situé au point d'incidence 17A du faisceau 5A sur le micro-miroir 17. A la sortie de la lentille 19, on dispose un réseau réflecteur 20, oblique par rapport à l'axe optique de la lentille 19. L'angle a1 que fait le plan du réseau 20 par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe optique de la lentille 19 doit être relativement faible (quelques degrés par exemple) afin de permettre au réseau 20 de fonctionner dans une large bande spectrale. Comme dans le cas du dispositif 4 de la figure 2, dans le dispositif 16, le réseau 20 renvoie le faisceau incident parallèlement à l'axe de la lentille 19, ce qui fait que, quelle que soit la position angulaire du miroir 17 (dans les limites définies par l'angle AG de rotation maximale possible de ce miroir, pour lequel tout rayon arrivant du cube 6 sur ce miroir est réfléchi vers la surface utile de la lentille 19 et collimaté vers la surface utile du réseau 20). tous les rayons réfléchis par le réseau 20 repassent au point 17A, vers le cube 6 et enfin vers la fibre 15. Dans ce dispositif 16, le dispositif de déviation, qui est le miroir 17, produit une déviation indépendante de la longueur d'onde de la composante qu'il reçoit, et son efficacité est proche de 100 % si on lui applique un traitement approprié. En outre, ce dispositif permet de corriger des retards plus importants que ne le fait le dispositif de la figure 2. En effet, le secteur d'ouverture AO, délimité par les déviations minimale et maximale permises par le micro-miroir, est plus élevé que celui d'une cellule acousto-optique (par exemple : t 100 pour le premier, contre 2 pour la seconde). Ainsi, ce dispositif 16 permet de corriger des retards plus importants entre les composantes orthogonales. Le réseau réfléchissant 20 est réalisé de façon à couvrir un large spectre de longueurs d'onde, comme c'est le cas pour des réseaux denses de multiplexage en longueur d'onde (par exemple, pour une longueur d'onde Ào - 1 500 nm, la largeur du spectre AX peut être d'environ 60 à 100 nm. Selon une variante de l'invention, le réseau 20 peut être avantageusement remplacé par un composant tel qu'un réseau 21 de micromiroirs 22 disposés en escalier , comme représenté en figure 4. Les différents micro-miroirs 22 du réseau sont fixes et orientés perpendiculairement à l'axe optique de la lentille 19, le support de micro- miroirs étant orienté obliquement par rapport à cet axe optique. Chaque manche du réseau introduit un retard élémentaire différent du fait de ladite obliquité. La hauteur H de chaque marche est égale ou supérieure au diamètre D du faisceau que reçoit le réseau, avec D = XF/d (F étant la longueur focale de la lentille 19, d le diamètre de chaque micro-miroir et À la longueur d'onde maximale du faisceau). Le déviateur 17 est commandé de façon à adresser chaque fois un seul des micro-miroirs en fonction du retard à produire. On a représenté en figure 5 le bloc-diagramme d'un mode de réalisation 23 du dispositif de l'invention mettant en oeuvre deux déviateurs acousto-optiques. Ce dispositif 23 est disposé à la sortie d'une fibre optique 24 par laquelle arrive le signal à corriger. Il comporte d'abord un déviateur acousto-optique 25 dont le centre de déviation 25A est placé au foyer d'une lentille convergente 26 qui le suit. Le déviateur 25 est disposé et commandé de façon que lorsqu'il ne produit pas de déviation, son faisceau de sortie passe par l'axe optique de la lentille 26, et que le faisceau dévié arrive sur une partie de la lentille autre que son centre. L' angle d'ouverture AO du faisceau dévié par le déviateur 25 (délimité par les positions angulaires maximale et minimale du faisceau dévié) est déterminé de façon à rester dans les limites de la surface utile de la lentille 26. La lentille 26 est suivie d'une lame demi-onde 27 disposée sur le trajet du faisceau dévié, un polariseur 28 étant disposé après la lentille 26 uniquement sur le trajet du faisceau non dévié (sur l'axe optique 26A de la lentille 26). La lame 27 et le polariseur 29 sont suivis d'un réseau holographique diffractif 29 placé à 450 par rapport à l'axe optique de la lentille 26. Ce réseau 29 transmet le faisceau incident dans une direction perpendiculaire à la direction incidente. Sur le trajet transmis du faisceau dévié, on dispose un bloc 30 de compensation de retard qui n'intercepte pas le faisceau non dévié transmis 26B. En aval du bloc 30, on dispose une lentille convergente 31 et une lame demi-onde 32 qui n'intercepte que le faisceau dévié provenant du bloc 30. La lame 32 est suivie d'un déviateur acousto-optique 33 identique au déviateur 25 et dont le centre de déviation 33A est placé dans le plan focal de la lentille 31. L'axe optique de la lentille 31 est confondu avec le faisceau 26B. A la sortie du déviateur 33 (en fait son entrée s'il était utilisé ici comme le déviateur 25) on dispose une fibre optique 34 recueillant le faisceau corrigé (sans dispersion de polarisation). Le dispositif 23 décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante. Le déflecteur acousto-optique 25 fonctionne en mode anisotrope, c'est-à-dire qu'il n'est efficace que pour une polarisation de l'onde optique, à savoir celle qui est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde acoustique produite dans le déviateur (celle dans le plan du dessin). Par contre, la polarisation optique qui est parallèle à la direction de propagation de l'onde acoustique n'est pas affectée par le déviateur (elle n'est pas diffractée) et se propage de façon rectiligne le long de l'axe optique de la lentille 26. Après le polariseur 28, seule reste la polarisation orthogonale à celle du faisceau dévié. L'onde dont la polarisation est affectée par le déviateur (polarisation dans le plan du dessin dans le cas présent) voit sa polarisation tourner de 90"par la lame 27. Après traversée du réseau 29, le faisceau 26B (non dévié) suit le trajet le plus long jusqu'au déviateur 33, alors que tous les faisceaux déviés suivent un trajet plus court, mais comme cette différence de trajet ne suffit généralement pas à compenser l'avance de la polarisation de ces faisceaux déviés, on intercale le bloc 30 pour diminuer cette avance et arriver à annuler la différence pour la fréquence centrale fo (correspondant au centre de la bande de fréquences balayées par les déviateurs 25 et 33, et à la bissectrice 25B de l'angle d'ouverture AO défini entre les limites de déviation minimale et maximale du déviateur 25 avec lequel est synchronisé le déviateur 33). Le signal de fréquence acoustique appliqué aux déviateurs 25 et 33 fait varier linéairement la longueur du trajet du faisceau dévié en fonction de cette fréquence, la fréquence centrale fo correspondant audit trajet 25B. Il est donc ainsi possible de faire varier la position temporelle de la composante de polarisation correspondante. Le polariseur 28, disposé sur le trajet du faisceau non dévié, est destiné à arrêter toute composante de polarisation indésirable (dans le plan de la figure 1, pour l'exemple représenté). Du fait que le réseau holographique 29 est inefficace pour la composante de polarisation parallèle au plan dans lequel se produit la déviation (plan de la figure 5), on dispose la lame 27 pour faire tourner de 900 cette composante de polarisation. La lame 32 la fait encore tourner de 900, et le déviateur 33 recombine les deux composantes orthogonales, qui n'ont plus de retard mutuel. On a représenté sur le diagramme de la figure 6 un exemple d'intégration du dispositif de compensation de l'invention dans une liaison optique de transmission de données numériques à haut débit. Ces données arrivent par une fibre optique 35. Le flux optique sortant de cette fibre est analysé par un contrôleur de polarisation 36 qui détermine le retard éventuel entre polarisations orthogonales. Le contrôleur 36 est suivi d'un dispositif de compensation de retard 37 conforme à l'invention, qui injecte le signal corrigé dans une fibre 38. Ce dispositif 37 a une grande dynamique : il peut corriger des retards allant jusqu'à 100 ps environ. Son temps de réponse est de l'ordre de la microseconde ou de la milliseconde selon la technologie du déviateur utilisé (acousto-optique ou à micro-miroir). Il est d'un prix de revient relativement faible, car il met en oeuvre des composants couramment disponibles. Selon un exemple de réalisation du dispositif de la figure 2, les caractéristiques des éléments utilisés et les résultats obtenus étaient les suivants : . cellule acousto-optique en Te02 ; fréquence centrale d'adressage de la cellule : environ 50 MHz, excursion de fréquence : AF = 40 MHz ; # diamètre du faisceau collimaté à la sortie de la fibre optique 5 : 0, 5 mm ; # focale de la lentille 9 : F = 100 mm ; 'diamètre transversal du faisceau collimaté par la lentille 9 : 300 um ; 'temps de retard à compenser : = 100 ps, ce qui correspond à un allongement d'un trajet simple (entre le déviateur 8 et le réseau 10) de compensation de 15 mm ; 'distance entre la lentille 9 et le réseau 10 (trajet 8B) : 60 mm ; 'nombre de positions résolues sur le réseau 10 : 100 ; longueur du réseau 10 : 30 mm. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle de la dispersion de polarisation d'une onde optique à deux composantes orthogonales de polarisation, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif de séparation (6,25) des deux composantes de polarisation dans une des deux voies de sortie duquel est disposé un déviateur (8,17, 25), suivi d'un réseau diffractif (10, 10B, 20,29), l'autre voie étant transmise directement, au moins un composant à action optique (6-9,6-19, 31-33) assurant la recombinaison des deux composantes sans retard mutuel. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif déviateur est du type acousto-optique (8,25). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif déviateur est du type à micro-miroir (17). 4. Dispositif selon la revendication 1,2 ou 3, caractérisé par le fait que le dispositif de séparation est un cube (6) formé de deux prismes accolés à interface semi-réfléchissante. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la voie non déviée comporte un miroir (13) renvoyant le faisceau correspondant sur le cube, et que la voie déviée comporte, en aval du déviateur (8) une lentille convergente (9) et un réseau de diffraction (10,10') à propriétés réfléchissantes, dont le plan est oblique par rapport à l'axe optique de la lentille. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le réseau (10) est réfléchissant en lui-même. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le réseau (10') fonctionne en transmission et est associé à un miroir (1 ob). 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait qu'il comporte sur la voie non déviée un miroir (13) à position réglable. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comporte sur la voie non déviée un bloc compensateur (14). 10. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé par le fait qu'il comporte sur chacune des deux voies, en aval du cube séparateur, une lame quart d'onde (7,12). 11. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé par le fait que le réseau de diffraction est accolé à un prisme optique (11). 12. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le réseau est un réseau de micro-miroirs (21) disposés en escalier . 13. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le dispositif de séparation est le déviateur lui-même (25), qu'il est suivi d'une lentille convergente au plan focal de laquelle est situé son centre de déviation (25A), et que le composant assurant la recombinaison est un autre déviateur (33), identique au premier et synchronisé avec lui.