Brevet FR3129209A1 — publié le 20230519

Un spectromètre à deux peignes (P1, P1’) comprend un guide d’onde (19) dans lequel sont propagés chacun des deux peignes, selon des modes propres distincts dudit guide d’onde. Une telle utilisation de modes propres distincts permet de réduire un mélange et des interactions entre les deux peignes. De cette façon, des signaux de détection qui sont produits par le spectromètre possèdent un rapport signal-sur-bruit qui est augmenté. Le guide d’onde peut avoir une fonction d’étalement spectral pour les deux peignes. Dans divers modes de réalisation possibles, les modes propres peuvent être différenciés par des directions de polarisation linéaire lorsque le guide d’onde est à maintien de polarisation, par des répartitions spatiales de champ à l’intérieur de sections transversales du guide d’onde lorsque ledit guide d’onde est multimode, ou par des répartitions de champ entre plusieurs cœurs du guide d’onde lorsque ledit guide d’onde est à cœurs multiples. Figure d’abrégé : Figure 1a SPECTROMETRE A DEUX PEIGNES La présente description concerne un spectromètre à deux peignes. La spectrométrie à deux peignes, ou «dual-comb spectrometry» en anglais, est proposée depuis quelques années pour remplacer la spectrométrie à transformation de Fourier, notamment lorsque des durées de mesure très courtes sont nécessaires, et/ou lorsque le spectromètre utilisé ne peut pas comporter de pièces mobiles. Le principe de la spectrométrie à deux peignes est décrit par exemple dans l’article intitulé «Spectrometry with frequency combs», de Schiller S., Optics Letters 27, 766 (2002), doi.org/10.1364/OL.27.000766. Dans ce nouveau procédé, un signal optique dont le spectre est composé d’une association de deux peignes est envoyé sur le système à analyser spectralement, et une partie de ce signal optique qui a traversé le système à analyser est détectée par une cellule photo-électrique. Cette partie de signal détectée contient des caractéristiques d’absorption optique du système, qui peuvent être calculées en appliquant une transformation de Fourier par rapport au temps au signal de détection qui est délivré par la cellule photo-électrique. Ce procédé spectrométrique à deux peignes présente les avantages de permettre des analyses spectrales très rapides, par exemple avec des durées d’acquisition par spectre qui sont inférieures à 10 ms (milliseconde), et de ne pas nécessiter de composants optiques mobiles. Mais la spectrométrie à deux peignes nécessite que le signal optique dont le spectre est l’association des deux peignes, et qui est envoyé à travers le système à analyser, présente une cohérence très élevée entre les deux peignes. Cette exigence comprend notamment une cohérence temporelle et une cohérence de polarisation entre les deux peignes. Pour obtenir la cohérence temporelle, une même source laser est utilisée pour générer les deux peignes. En outre, il est connu d’utiliser une même fibre optique à fonction d’étalement spectral pour les deux peignes, afin que des contraintes et des variations thermiques qui affectent cette fibre optique ne dégradent pas la cohérence de polarisation des deux peignes l’un par rapport à l’autre. Par ailleurs, la partie de signal optique qui a traversé le système à analyser et qui est détectée par la cellule photo-électrique résulte d’une interférence entre deux contributions qui proviennent une-à-une des deux peignes. Il est alors important, pour que l’interférence se produise de façon optimale, que les deux peignes aient des polarisations respectives identiques ou sensiblement identiques, et que cette cohérence de polarisation soit maintenue dans le temps, entre des utilisations successives d’un même spectromètre. Autrement dit, le spectromètre doit présenter un fonctionnement stable, sans qu’il soit nécessaire de réajuster des contrôleurs de polarisation à chaque nouvelle utilisation. Enfin, le signal de détection qui est délivré par la cellule photo-électrique présente un rapport signal-sur-bruit d’autant plus élevé que les deux peignes sont eux-mêmes dépourvus de composantes parasites de rayonnement. Or, lorsque la même fibre optique à fonction d’étalement spectral est utilisée pour les deux peignes, ceux-ci sont susceptibles d’interagir l’un avec l’autre, à cause des propriétés optiques non-linéaires de la fibre optique. Ces interactions entre les deux peignes génèrent des composantes parasites de rayonnement. Pour réduire ces composantes parasites, il est connu d’utiliser la fibre optique à fonction d’étalement spectral selon des sens de propagation qui sont inverses entre les deux peignes. En effet, les signaux optiques contra-propagatifs à spectres en forme de peignes sont ainsi superposés dans la fibre optique pendant des durées de croisement qui sont très courtes, si bien que les composantes parasites de rayonnement qui résultent des propriétés optiques non-linéaires de la fibre optique ont des amplitudes réduites. Néanmoins, ces composantes parasites, bien que réduites, peuvent encore être gênantes à cause de la dégradation du rapport signal-sur-bruit qu’elles provoquent dans le signal de détection du spectromètre. Problème technique A partir de cette situation, un but de la présente invention consiste à obtenir une stabilité de fonctionnement qui soit améliorée pour un spectromètre à deux peignes, notamment par rapport à l’exigence de cohérence de polarisation. Un autre but de l’invention consiste à proposer un nouveau spectromètre à deux peignes, pour lequel le signal de détection présente un rapport signal-sur-bruit qui soit augmenté. En particulier, l’invention a pour but de réduire des interactions entre les deux peignes qui résulteraient de propagations de ceux-ci dans une fibre optique commune à fonction d’étalement spectral. Pour atteindre l’un au moins de ces buts ou un autre, un aspect de l’invention propose un spectromètre à deux peignes qui comprend : - un ensemble de source optique, adapté pour fournir deux signaux optiques de source, dits premier et second signaux optiques de source, qui possèdent chacun un spectre en forme de peigne dans un intervalle spectral de source commun, avec un pas fréquentiel de peigne du premier signal optique de source qui est différent d’un pas fréquentiel de peigne du second signal optique de source, les deux pas fréquentiels étant inférieurs chacun à un dixième d’une longueur de l’intervalle spectral de source exprimé en valeurs de fréquence ; - un ensemble de couplage, agencé pour recevoir simultanément les premier et second signaux optiques de source en provenance de l’ensemble de source optique, et pour envoyer simultanément dans un système à analyser des premier et second signaux optiques utiles issus des premier et second signaux optiques de source, respectivement, et pour collecter des parties émergentes des premier et second signaux optiques utiles après que ces signaux optiques utiles ont traversé le système à analyser selon un trajet optique dans le système à analyser, ce trajet optique étant identique pour les premier et second signaux optiques utiles ; - une cellule photo-électrique, disposée en aval du système à analyser par rapport au sens de propagation des signaux optiques utiles, pour détecter un éclairement d’interférence qui résulte d’une superposition des parties émergentes des premier et second signaux optiques utiles ; et - un ensemble d’acquisition et d’analyse spectrale, connecté à une sortie électrique de la cellule photo-électrique, et adapté pour enregistrer des variations temporelles de l’éclairement d’interférence, et pour déduire des caractéristiques d’absorption du système à analyser à partir des variations temporelles de l’éclairement d’interférence. L’invention s’applique lorsque l’ensemble de source optique comprend un guide d’onde qui est disposé pour être parcouru simultanément par les premier et second signaux optiques de source avant que ceux-ci soient reçus par l’ensemble de couplage. Selon l’invention, ce guide d’onde possède au moins deux modes propres de propagation pour des signaux optiques à l’intérieur de ce guide d’onde, tels qu’un signal optique qui est injecté dans le guide d’onde selon un des modes propres ne subisse pas de transfert, ni partiel ni total, à un autre des modes propres pendant que le signal optique se propage dans le guide d’onde. Autrement dit, les modes propres correspondent à des modes de propagation qui sont indépendants. Par exemple, des modes propres distincts peuvent correspondre à des polarisations du signal optique dans le guide d’onde qui sont orthogonales, ou bien correspondre à des répartitions transversales de champ qui sont différentes lorsque le guide d’onde est multimode, ou encore correspondre à des répartitions de champ entre plusieurs cœurs du guide d’onde qui sont différentes lorsqu’il est à cœurs multiples. Alors, l’ensemble de source optique est agencé de sorte que le premier signal optique de source soit injecté dans le guide d’onde conformément à un premier des modes propres du guide d’onde, et que le second signal optique de source soit injecté simultanément dans ce même guide d’onde conformément à un second de ses modes propres qui est différent du premier mode propre. Grâce à une telle séparation des premier et second signaux optiques de source selon les modes propres du guide d’onde, ces signaux ne se mélangent pas ni n’interagissent pendant leur propagation dans le guide d’onde, si bien qu’aucune ou presqu’aucune composante de mélange ou d’interaction n’apparaît. Pour cette raison, les signaux optiques de source présentent alors un rapport signal-sur-bruit qui est élevé après s’être propagés dans le guide d’onde. En outre, étant donné que les deux signaux optiques de source se sont propagés dans le même guide d’onde, ces propagations ne dégradent pas la cohérence temporelle ni la cohérence de polarisation des deux signaux optiques de source l’un par rapport à l’autre. Dans différents modes de réalisation de l’invention, le guide d’onde peut être de l’un des types suivants : - un guide d’onde à maintien de polarisation, qui possède deux modes propres correspondant respectivement à deux polarisations orthogonales, le premier signal optique de source étant injecté dans le guide d’onde exclusivement avec une de ces deux polarisations de modes propres, et le second signal optique de source étant injecté dans le même guide d’onde exclusivement avec l’autre de ces deux polarisations de modes propres. Une telle utilisation du guide d’onde à maintien de polarisation permet en outre de garantir l’orientation des polarisations respectives des deux signaux optiques de source par rapport à d’autres composants de l’ensemble de source optique, si bien que des ajustements de directions de polarisations ne sont plus nécessaires. Le spectromètre possède alors une stabilité de fonctionnement qui est améliorée, notamment entre des sessions d’utilisation successives et séparées dans le temps ; - un guide d’onde multimode, qui possède au moins deux modes propres correspondant à des répartitions spatiales de champ différentes dans une section transversale du guide d’onde, le premier signal optique de source étant injecté dans le guide d’onde de façon à correspondre exclusivement à une de ces répartitions spatiales de champ, et le second signal optique de source étant injecté dans le même guide d’onde de façon à correspondre exclusivement à une autre des répartitions spatiales de champ ; et - un guide d’onde à au moins deux cœurs, le premier signal optique de source étant injecté dans le guide d’onde exclusivement selon un premier mode propre de répartition de champ entre ces cœurs, et le second signal optique de source étant injecté dans le même guide d’onde exclusivement selon un autre mode propre de répartition de champ entre les cœurs. Tout particulièrement, le guide d’onde peut être adapté pour produire un étalement spectral des premier et second signaux optiques de source. Pour cela, le guide d’onde peut être sélectionné pour qu’il produise une augmentation de la longueur de l’intervalle spectral de source des premier et second signaux optiques de source selon un facteur multiplicatif qui est supérieur à 3, par exemple compris entre 5 et 50. Dans ce but, un critère de sélection du guide d’onde peut être une valeur d’un coefficient d’effet Kerr non-linéaire de ce guide d’onde, usuellement désigné par γ. Pour un guide d’onde à base de silice (SiO 2 ) qui est utilisé autour de la valeur de longueur d’onde de 1,064 µm (micromètre), cette valeur du coefficient γ peut être comprise entre 1 W -1 ·km -1 (par watt et par kilomètre) et 30 W -1 ·km -1 . Un critère complémentaire de sélection du guide d’onde peut être une valeur d’un paramètre de dispersion d’ordre deux, usuellement désigné par β 2 . Encore pour un guide d’onde à base de silice qui est utilisé autour de la valeur de longueur d’onde de 1,064 µm, cette valeur du paramètre β 2 est de préférence positive, correspondant à une dispersion dite normale, supérieure à 0,006 ps 2 /m (picoseconde au carré par mètre) et inférieure à 0,12 ps 2 /m. Une telle valeur positive du paramètre β 2 génère un comportement optique d’onde de choc, grâce auquel des puissances spectrales des premier et second signaux optiques de source sont sensiblement constantes dans l’intervalle spectral de source, après que ces signaux se sont propagés dans le guide d’onde à fonction d’étalement spectral. Le guide d’onde peut être une fibre optique, notamment une fibre optique qui possède une longueur supérieure à 10 m (mètre), de préférence supérieure à 100 m, notamment inférieure à 10 km (kilomètre). En particulier, la longueur du guide d’onde peut être sélectionnée pour produire une amplitude voulue d’étalement spectral pour les premier et second signaux optiques de source. L’ensemble de source optique peut être adapté pour injecter les premier et second signaux optiques de source dans le guide d’onde par une même extrémité de ce guide d’onde. Toutefois, de façon préférentielle, l’ensemble de source optique peut être adapté pour injecter le premier signal optique de source dans le guide d’onde par une première extrémité de celui-ci et le second signal optique de source par une seconde extrémité du même guide d’onde, qui est opposée à sa première extrémité. De cette façon les premier et second signaux optiques de source parcourent le guide d’onde selon des sens de propagation respectifs qui sont inverses. Ils sont alors superposés à l’intérieur du guide d’onde pendant une durée très courte, ce qui réduit encore leurs mélange et interactions dans le guide d’onde. Ils présentent ainsi un rapport signal-sur-bruit après s’être propagés dans le guide d’onde qui est encore augmenté. De façon générale, chaque mode propre du guide d’onde peut être combiné séparément avec les deux sens contraires de propagation des signaux optiques dans le guide d’onde. Dans des modes de réalisation possibles de l’invention, l’ensemble de source optique peut être adapté pour fournir les premier et second signaux optiques de source de sorte que chacun de ces signaux optiques de source aient une première raie spectrale et une dernière raie spectrale qui sont distantes d’au moins 200 GHz (gigahertz). Une telle étendue spectrale peut résulter de modulations en impulsions qui sont appliquées à un signal optique initial continu, et de l’étalement spectral qui est produit par le guide d’onde sur ce signal optique modulé. Par ailleurs, de façon générale pour l’invention, le spectromètre peut être adapté en outre pour que les premier et second signaux optiques utiles soient chacun contenu dans un intervalle spectral compris entre 2 µm et 10 µm, de préférence entre 4 µm et 5 µm. Encore de façon générale pour l’invention, l’ensemble de source optique peut comprendre : - une source laser, qui est continue et commune aux premier et second signaux optiques de source ; - deux modulateurs, qui sont dédiés à conférer la forme en peigne aux spectres de ces premier et second signaux optiques de source, respectivement, à partir d’un rayonnement continu qui est issu de la source laser ; et - optionnellement, au moins un amplificateur optique. Dans ce cas, la source laser, les modulateurs, et l’au moins un amplificateur optique, le cas échéant, peuvent avantageusement être réalisés par une technologie de fibres optiques, de préférence une telle technologie de fibres optiques à maintien de polarisation. Possiblement, l’ensemble de source optique peut comprendre en outre : - un modulateur additionnel, qui disposé pour décaler spectralement l’un des premier et second signaux optiques de source par rapport à l’autre. Un tel modulateur additionnel permet notamment de supprimer un recouvrement spectral dans la superposition des parties émergentes des premier et second signaux optiques utiles, telle que détectée par la cellule photo-électrique. Brève description des figures Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : est un schéma synoptique d’un ensemble de source optique pour spectromètre à deux peignes, pour un premier mode de réalisation de l’invention ; correspond à pour un deuxième mode de réalisation de l’invention ; correspond à pour un troisième mode de réalisation de l’invention ; regroupe deux diagrammes spectraux qui montrent un effet d’étalement spectral utilisé dans des modes de réalisation de l’invention ; et est un schéma synoptique d’un spectromètre à deux peignes conforme à l’invention. Spectromètre (100) à deux peignes comprenant : - un ensemble de source optique (1), adapté pour fournir deux signaux optiques de source, dits premier (P1) et second (P1’) signaux optiques de source, qui possèdent chacun un spectre en forme de peigne dans un intervalle spectral de source commun, avec un pas fréquentiel de peigne du premier signal optique de source qui est différent d’un pas fréquentiel de peigne du second signal optique de source, les deux pas fréquentiels étant inférieurs chacun à un dixième d’une longueur de l’intervalle spectral de source exprimé en valeurs de fréquence ; - un ensemble de couplage (2), agencé pour recevoir simultanément les premier (P1) et second (P1’) signaux optiques de source en provenance de l’ensemble de source optique (1), et pour envoyer simultanément dans un système à analyser (3) des premier (P2) et second (P2’) signaux optiques utiles issus desdits premier et second signaux optiques de source, respectivement, et pour collecter des parties émergentes des premier et second signaux optiques utiles après que lesdits premier et second signaux optiques utiles ont traversé le système à analyser selon un trajet optique dans ledit système à analyser, ledit trajet optique étant identique pour lesdits premier et second signaux optiques utiles ; - une cellule photo-électrique (4), disposée en aval du système à analyser (3) par rapport un sens de propagation des premier (P2) et second (P2’) signaux optiques utiles, pour détecter un éclairement d’interférence qui résulte d’une superposition des parties émergentes des premier et second signaux optiques utiles ; et - un ensemble d’acquisition et d’analyse spectrale (5, 6), connecté à une sortie électrique de la cellule photo-électrique (4), et adapté pour enregistrer des variations temporelles de l’éclairement d’interférence, et pour déduire des caractéristiques d’absorption du système à analyser (3) à partir desdites variations temporelles de l’éclairement d’interférence, dans lequel l’ensemble de source optique (1) comprend un guide d’onde (19) disposé pour être parcouru simultanément par les premier (P1) et second (P1’) signaux optiques de source avant que lesdits premier et second signaux optiques de source soient reçus par l’ensemble de couplage (2), le spectromètre (100) étant caractérisé en ce que le guide d’onde (19) possède au moins deux modes propres de propagation pour des signaux optiques à l’intérieur dudit guide d’onde, tels qu’un signal optique qui est injecté dans ledit guide d’onde selon un des modes propres ne subisse pas de transfert à un autre des modes propres pendant que ledit signal optique se propage dans ledit guide d’onde, et en ce que l’ensemble de source optique (1) est agencé de sorte que le premier signal optique de source (P1) soit injecté dans le guide d’onde (19) conformément à un premier des modes propres, et que le second signal optique de source (P1’) soit injecté simultanément dans ledit guide d’onde conformément à un second des modes propres qui est différent dudit premier mode propre. Spectromètre (100) selon la revendication 1, dans lequel le guide d’onde (19) est de l’un des types suivants : - un guide d’onde à maintien de polarisation, ayant deux modes propres correspondant respectivement à deux polarisations orthogonales, le premier signal optique de source (P1) étant injecté dans le guide d’onde (19) exclusivement avec une desdites deux polarisations de modes propres, et le second signal optique de source (P1’) étant injecté dans le guide d’onde exclusivement avec l’autre desdites deux polarisations de modes propres ; - un guide d’onde multimode, ayant au moins deux modes propres correspondant à des répartitions spatiales différentes de champ dans une section transversale dudit guide d’onde, le premier signal optique de source (P1) étant injecté dans le guide d’onde (19) de façon à correspondre exclusivement à une desdites répartitions spatiales de champ, et le second signal optique de source (P1’) étant injecté dans le guide d’onde de façon à correspondre exclusivement à une autre desdites répartitions spatiales de champ ; et - un guide d’onde à au moins deux cœurs, le premier signal optique de source (P1) étant injecté dans le guide d’onde (19) exclusivement selon un premier mode propre de répartition de champ entre lesdits cœurs, et le second signal optique de source (P1’) étant injecté dans le guide d’onde exclusivement selon un autre mode propre de répartition de champ entre lesdits cœurs. Spectromètre (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le guide d’onde (19) est adapté pour produire un étalement spectral des premier (P1) et second (P1’) signaux optiques de source, notamment en produisant une augmentation de la longueur de l’intervalle spectral de source desdits premier et second signaux optiques de source selon un facteur multiplicatif qui est supérieur à 3. Spectromètre (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’intervalle spectral de source des premier (P1) et second (P1’) signaux optiques de source comprend la valeur de longueur d’onde de 1,064 µm, et dans lequel le guide d’onde (19) est à base de silice, et sélectionné pour posséder une valeur d’un coefficient d’effet Kerr non-linéaire qui est comprise entre 1 W -1 ·km -1 et 30 W -1 ·km -1 . Spectromètre (100) selon la revendication 4, dans lequel le guide d’onde (19) est sélectionné en outre pour posséder une valeur d’un paramètre de dispersion d’ordre deux qui est comprise entre 0,006 ps 2 /m et 0,12 ps 2 /m. Spectromètre (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le guide d’onde (19) est une fibre optique, notamment une fibre optique qui possède une longueur supérieure à 10 m, de préférence supérieure à 100 m. Spectromètre (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’ensemble de source optique (1) est adapté pour injecter le premier signal optique de source (P1) dans le guide d’onde (19) par une première extrémité dudit guide d’onde et le second signal optique de source (P1’) par une seconde extrémité dudit guide d’onde opposée à ladite première extrémité, de sorte que lesdits premier et second signaux optiques de source parcourent ledit guide d’onde selon des sens de propagation respectifs qui sont inverses. Spectromètre (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’ensemble de source optique (1) est adapté pour fournir les premier (P1) et second (P1’) signaux optiques de source de sorte que chacun desdits premier et second signaux optiques de source aient une première raie spectrale et une dernière raie spectrale qui sont distantes d’au moins 200 GHz. Spectromètre (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, adapté en outre pour que les premier (P2) et second (P2’) signaux optiques utiles soient chacun contenu dans un intervalle spectral compris entre 2 µm et 10 µm, de préférence entre 4 µm et 5 µm. Spectromètre (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’ensemble de source optique (1) comprend : - une source laser (10), qui est continue et commune aux premier (P1) et second (P1’) signaux optiques de source ; - deux modulateurs (14, 14’), qui sont dédiés à conférer la forme en peigne aux spectres desdits premier (P1) et second (P1’) signaux optiques de source, respectivement, à partir d’un rayonnement continu qui est issu de la source laser (10) ; et - optionnellement, au moins un amplificateur optique (11, 16, 16’, 18), et dans lequel la source laser (10), les modulateurs (14, 14’) et ledit au moins un amplificateur optique (11, 16, 16’, 18) sont réalisés par une technologie de fibres optiques, notamment par une technologie de fibres optiques à maintien de polarisation. Spectromètre (100) selon la revendication 10, dans lequel l’ensemble de source optique (1) comprend en outre : - un modulateur additionnel (13), disposé pour décaler spectralement l’un des premier (P1) et second (P1’) signaux optiques de source par rapport à l’autre desdits premier et second signaux optiques de source.