CA2064874A1

CA2064874A1 - Optical fibre parameter measuring device

Info

Publication number: CA2064874A1
Application number: CA 2064874
Authority: CA
Inventors: Philippe Martin; Herve Lefevre; Francois X. Desforges
Original assignee: Individual
Current assignee: Photonetics SA
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1991-06-27
Publication date: 1991-12-30
Also published as: JPH05501455A; EP0489899A1; FR2664049B1; FR2664049A1; WO1992000506A1

Abstract

2064874 9200506 PCTABS00110 L'invention concerne un dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres comprenant: une source lumineuse (S); au moins une fibre optique (1) sensible aux paramètres (P1, P2) mesurés présentant des modes stables excités par la source lumineuse (S), une variation de chaque paramètre (P1, P2) mesuré introduisant des déphasages (.delta..PHI.i, .delta..PHI.2) entre les différents modes appelés ''modes de mesure'', deux à deux; au moins un moyen de couplage séparant la lumière incidente entre ces modes de mesure; au moins un moyen de recombinaison de ces modes de mesures afin de recréer des interférences; au moins un détecteur (30) recevant le flux lumineux résultant de l'interférence des modes de mesure; une unité de traitement électronique (40) assurant l'extraction des valeurs des paramètres mesurés à partir des signaux sortant des détecteurs (30), caractérisé en ce que: les fibres sensibles (1) présentent deux couples de modes stables de mesure, les déphasages introduits (.delta..PHI.i, .delta..PHI.2) par la fibre de mesure entre les modes de chacun des deux couples dépendant de deux paramètres mesurés (P1, P2), avec des lois linéairement indépendantes, des moyens d'analyse produisant au moins deux mesures séparées des déphasages entre les modes de chacun des deux couples, l'unité de traitement (40) assurant l'extraction des valeurs indépendantes des deux paramètres mesurés par une même fibre sensible, à partir des deux déphasages.2064874 9200506 PCTABS00110 The invention relates to a device for measuring optical fiber of several parameters comprising: a light source (S); at least one optical fiber (1) sensitive to the parameters (P1, P2) measured having stable modes excited by the light source (S), a variation of each parameter (P1, P2) measured introducing phase shifts (.delta..PHI .i, .delta..PHI.2) between the different modes called '' measurement modes '', two by two; at least one coupling means separating the incident light between these measurement modes; at least one means of recombining these measurement modes in order to recreate interference; at least one detector (30) receiving the light flux resulting from the interference of the measurement modes; an electronic processing unit (40) ensuring the extraction of the values of the measured parameters from the signals coming from the detectors (30), characterized in that: the sensitive fibers (1) have two pairs of stable measurement modes, the phase shifts introduced (.delta..PHI.i, .delta..PHI.2) by the measurement fiber between the modes of each of the two couples depending on two measured parameters (P1, P2), with linearly independent laws, means analysis producing at least two separate measurements of the phase shifts between the modes of each of the two pairs, the processing unit (40) ensuring the extraction of the independent values of the two parameters measured by the same sensitive fiber, from the two phase shifts .

Description

2 ~ 8~ ~

D~8PORITIF DE: ISE8~JRE A FI;EIR~ OPTIQIJE: D2 PL1~8I~
PA~I~TRBB
La présente invention concerne un dispositif de mesure à fibre optique dans lequel l'élément sensible est une fibre dont les propriétés varient en fonction des paramètres à mesurer.
Des dispositifs de ce type sont développés depuis plusieurs années et on pourra, par exemple, se r~férer à
1'ouvrage "OPTICAL FIBER SENSORS", édité par B. CULSHAW et J. DAXIN, ARTECH HOUSE (1989).
Plus particulièrement, des capteurs polarimétriques à fibre biréfringente ont été développés. Dans ces capteurs connus, le paramètre mesuré produit une variation de la bir~fringence d'une fibre optique. Un faisceau lumineux polarisé linéairement est couplé à cette fibre. Il est analysé après transmission de manière à mesurer le dephasage introduit par la fibre entre les deux modes orthogonaux polarises lineairement (voir l'article VARNHAM
ET AL. "ELECTRONICS LETTERS" - 18 août 1983 - Vol. 19 no 17). Le paramètre à mesurer pouvant être, en particulier, la temperature ou bien la defo~mation longitudinale, par exemple.
Il a egalement eté proposé (FR-A-2 626 367) de réaliser un capteur multipoint de température à fibre optique. Dans ce dispositif, un flux lumineux de faible coherence temporelle et polarise est couple à une fibre optique à birefringence comportant un certain nombre de points de couplage faible. Le flux entrant est couple à
l'un des modes, par exemple au mode rapide, de la fibre. A
chacun de ces points de couplage, une faible partie de l'fenergie de ce mode de polarisation est transmise l'autre mode de polarisation. On produit l'interférence des ondes sortantes sur chacun des modes en plaçant un polariseur à 45 des axes neutres de la fibre, et on W092/00506 ~ PCT/FR9l/00515 analyse le flux transmis avec un interféromètre de MICHELSON et l'interférogramme ainsi fourni permet d'accéder à la différence de phase introduite par chacun des tronçons de fibre compris entre deux des points de couplage.
Il a ~té montré (article "USE OF HIGHLY ELLIPTICAL
CORE FIBER FOR ~WO-MODE FIBER DEVICES" par B. Y. KIM ET AL.
"OPTICS ~ETTERS" - septembre 1987 - vol. 12 n~ 9) qu'au lieu de mesurer les interférences entre les deux polarisations d'une fibre biréfringente monomode spatialement, il est possible d'avoir des interférences avec une sensibilité comparable avec une fibre non biréfringente possédant quelques modes spatiaux, c'est-à-dire en fait une fibre ayant un coeur de faible diamètre utilisée avec une source de longueur d'onde lnférieure à sa longueur d'onde de coupure. En particulier, juste en-dessous de cette longueur d'onde de coupure, la fibre possède trois modes spatiaux : le mode LPol fondamental et deux modes antisymétriques LPll ~ deux lobes. Dans une fibre à coeur circulaire, ces deux modes LPll sont quasi-dégénérés, ce qui procure des instabilités. C'est pourquoi - il a ~té proposé d'utiliser une fibre à coeur très elliptique. Dans ce cas, le mode LPll dont les deux lobes sont alignés sur le grand axe du coeur elliptique (noté
LPl1G par la suite) est guidé tout comme le mode fondamental LPol, alors que le mode LPl1 dont les deux lobes sont alignés sur le petit axe du coeur elliptique (noté LP11p par la suite) n'est pas guidé. Une telle fibre ne possède donc plus que deux modes spatiaux : le mode LPol et le mode LPl1G, et l'analyse des interférences entre ces deux modes permet de détecter des paramètres comme la température ou la déformation longitudinale d'une manière comparable à la mesure faite avec une fibre monomode spatialement avec deux modes de polarisation.

. ' .: . ' : . : :: : . , , .

: '' : , ,. , , ~, W092/00s06 PCTtFR91/00515 : 2 ~ 8 ~ ~

D ~ 8PORITIVE FROM: ISE8 ~ JRE TO FI; EIR ~ OPTIQIJE: D2 PL1 ~ 8I ~
PA ~ I ~ TRBB
The present invention relates to a device for fiber-optic measurement in which the sensitive element is a fiber whose properties vary according to parameters to be measured.
Devices of this type have been developed since several years and we can, for example, refer to The book "OPTICAL FIBER SENSORS", edited by B. CULSHAW and J. DAXIN, ARTECH HOUSE (1989).
More particularly, polarimetric sensors with birefringent fiber have been developed. In these sensors known, the measured parameter produces a variation of the bir ~ fringence of an optical fiber. A light beam linearly polarized is coupled to this fiber. It is analyzed after transmission in order to measure the phase shift introduced by the fiber between the two modes orthogonal linearly polarized (see article VARNHAM
ET AL. "ELECTRONICS LETTERS" - August 18, 1983 - Vol. 19 no 17). The parameter to be measured can be, in particular, the temperature or the longitudinal defo ~ mation, by example.
It has also been proposed (FR-A-2 626 367) to realize a multipoint fiber temperature sensor optical. In this device, a low luminous flux temporal and polarized coherence is coupled to a fiber birefringence optics comprising a number of weak coupling points. The incoming flow is torque to one of the modes, for example in fast mode, of the fiber. AT
each of these coupling points, a small part of the energy of this polarization mode is transmitted the other mode of polarization. We produce the interference of outgoing waves on each of the modes by placing a polarizer at 45 neutral axes of the fiber, and we W092 / 00506 ~ PCT / FR9l / 00515 analyzes the flow transmitted with an interferometer MICHELSON and the interferogram thus provided allows access the phase difference introduced by each fiber sections between two of the points of coupling.
It has been shown (article "USE OF HIGHLY ELLIPTICAL
CORE FIBER FOR ~ WO-MODE FIBER DEVICES "by BY KIM ET AL.
"OPTICS ~ ETTERS" - September 1987 - vol. 12 n ~ 9) only instead of measuring the interference between the two polarizations of a single mode birefringent fiber spatially it is possible to have interference with a comparable sensitivity with a fiber not birefringent with some spatial modes, that is actually say a fiber with a small diameter core used with a source of wavelength ln lower than its cut-off wavelength. In particular, just in-below this cut-off wavelength, the fiber has three spatial modes: the fundamental LPol mode and two antisymmetric modes LPll ~ two lobes. In fiber with circular core, these two LPll modes are almost degenerate, which gives instabilities. That is why - he was proposed to use a fiber with a very heart elliptical. In this case, the LPll mode of which the two lobes are aligned on the major axis of the elliptical heart (noted LPl1G thereafter) is guided just like the mode fundamental LPol, while the LPl1 mode of which the two lobes are aligned on the minor axis of the elliptical heart (noted LP11p later) is not guided. Such a fiber therefore has only two spatial modes: the LPol mode and LPl1G mode, and analyzing the interference between these two modes to detect parameters like temperature or longitudinal deformation in a way comparable to the measurement made with a single mode fiber spatially with two polarization modes.

. '.:. ':. : :::. ,,.

: '':,,. ,, ~, W092 / 00s06 PCTtFR91 / 00515 :

3 2 ~

Par ailleurs, il a été proposé de noyer des fibres optiques de mesure dans des matériaux, par exemple des matériaux composites, et de mesurer les propriétés optiques de ces fibrès de manière à caractériser l'état de ces matériaux. On a ~galement suggéré, (par exemple dans le brevet FR-A-2 626 367 déjà cit~) d'utiliser les propriétés des fibres optiques fortement bir~fringentes pour mesurer des températures. On constate, dans ces applications, que les propriétés optigues des fibres de mesure dépendent simultanément de leur déformation et de la température. La contribution de chacun de ces paramètres est dificile à
isoler et les méthodes utilisées jusqu'à présent pour cela (par exemple l'utilisation d'une référence) conduisent à la réalisation de dispositifs de mesure relativement complexes.
Spajer et al (Optics Communications Vol. 60 N5 decembre 1~86, pages 261-264) ont proposé d'éviter l'utilisation d'une fibre de référence et le problème de sa température en exploitant trois modes spatiaux se propageant dans une fibre de mesure non - biréfringent~. La mesure de deux paramètres, la pression et la température, peut être obtenue lorsqu'ils sont liés aux différences de phase entre les modes considérés par des relations linéaires indépendantes.
Certains résultats ont ainsi ete obtenus, toutefois une forte dependance des relations entre les différences de phase et les paramètres a été constatée. Cette dépendance est probablement dûe au fait ~ue les différences de phases créées entre trois modes spatiaux , pris deux à deux ont pour origine un même phénomène physique.
Le but de la présente invention est la realisation d'un dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres qui permet d'obtenir une grande precision, assure la mesure simultanée de plusieurs paramètres en un Wo92/ooso6 pcT/FRsl/oo5ls r ~,,c,~r,$~ 4 même point et permet de séparer la contribution de chacun d'eux.
A cet effet, le dispositif de l'invention comporte:
- une source lumineuse, - au moins une fibre optique sensible aux paramètres mesurés présentant des modes stables excités par la source lumineuse, une variation de chaque paramètre mesur~ introduisant des déphasages entre différents modes, - au moins un moyen de couplage séparant la lumière lo incidente entre ces modes de mesure, - au moins un détecteur recevant le flux lumineux résultant de l'interférence des modes de mesure, - une unite de traitement electronique assurant l'extraction des valeurs das paramètres mesures à partir des signaux sortant des detecteurs.
Selon l'invention, l'une au moins des fibres sensibles présente au moins trois modes stables de mesure, le déphasage entre les modes de chacun des couples dependant des paramètres mesurés avec des lois linéairement Z0 indépendantes, des moyens d'analyse produisant au moins deux mesures séparées des déphasages entre les modes de chacun des couples. Lesdits couples de modes stables de mesure sont respectivement les modes polarisés lineairement LPl1 à deux lobes, un couple étant compose de deux modes LP11 de même polarisation et de structure spatiale orthogonale (LP11G~G, LP11p~G par exemple), l'autre couple étant compose de deux modes LPl1 de même structure spatiale et de polarisation orthogonale tLP11G~G, LPl1G~p par exemple).
La fibre sensible est avàntageusement une fibre à
biréfringence de contrainte avec un coeur legèrement elliptique, utilisee au dela de la coupure. Les fibres dites "Bow-tie'i de YORK TEcHNOLOGY possèdent ces caractéristiques.
La légère ellipticité du coeur (rapport petit axe sur grand axe de l'ordre de 0,7 à 0,9) assure deux modes LPll stables sans pour autant empêcher le guidage du mode LPllp comme dans le cas d'une forte ellipticité. Une telle fibre a donc six modes stables de mesure possible : trois modes spatiaux LPo1, LP11G et LPl1p subdivisés chacun en deux polarisations lineaires parallèles soit au grand axe soit au petit axe. Ces six modes seront notés par la suite Ol/G~ LPo1/P~ LPllG/G~ LPllG/P' LPllP/G et LPllP/
De préférence, les trois modes stables de mesure seront un mode LP11, le mode LP11 de même distribution spatiale et de polarisation orthogonale et le mode LP11 de même polarisation et de distribution spatiale orthogonale, soit par exemple LPllG/G~ LPl1G/P' LPl1P/G- Les modes antisymiétriques LPll possèdent en effet une similitude intéressante avec les modes de polarisation. Ils ont aussi une orientation spatiale et leur diff rence de vitesses sont comparables a celles des modes de polarisation.
L'invention sera decrite plus en détail en référence aux figures annexees dans lesquelles :
- La figure 1 est un schéma de principe du dispositif de l'invention.
- La figure 2 est une représentation des modes spatiaux de la fibre optique de mesure concernés par l'invention.
- La figure 3 est une représentation schématique de la section d'une fibre optigue utilisable comme fibre de mesure.
- La figure 4 est une représentation du séparateur de modes utilisable en sortie de fibre de mesure.
- La figure 5 est une représentation du dispositif de l'invention en interférométrie en lumière blanche.

~'~ G
- La figure 6 e~t une représentation des trains d'onde produit par une source ~ spectre large.
La figure 7 est une représentation de 1'interférogramme produit par interférences des trains d'onde représentées sur la figure 6.
- La figure 8 est un schema du dispositif de mesure multipoints conformes ~ l'invention.
- La figure 9 est une représentation du principe de fonctionnement de ce dispositif de mesure multipoints.
- La figure 10 est la représentation d'un interférogramme produit par l'un des interféromètres d'analyse.
L'élément sensible du dispositif de mesure est une fibre optique dite "fibre sensible" à biréfringence de contrainte et coeur légèrement elliptique ne présentant qu'un nombre limite de modes spatiaux. En pratique, telle que representee sur la figure 2, on considère un mode fondamental symetrique LPol à un lobe et deux modes secondaires antisymetrigues orthogonaux LPllG et LPllp ~
deux lobes. Chacun de ces modes spatiaux est décomposé en deùx modes lineairement polarises, orthogonaux (respectivement LPol/p, LPol/Gl LPllG/P~ LPllG/G~ LPllP/P~
LPllP/G) Deux mesures indépendantes de dephasage sont ~aites, d'une part entre deux modes de polarisation di~ferents d'un même mode spatial, d'autre part entre deux modes spatiaux differents et de meme polarisation. Ainsi, on realise une double mesure des deux paramètres recherches et les deux lois qui lient les dephasages aux paramètres etant lineairement independantes, on peut separer l'effet de chacun des deux param2tres et obtenir deux mesures precises, simultanees et independantes.
La fibre optique sensible a donc la propri~té de presenter des modes spatiaux stables LP11G et LP1lp. Il ~ ~ ~ L~ ,7 s'agit par exemple d'une fibre à biréfringence de contraintes de type "Bow-tie". A titre d'exemple, une fibre de ce type est représentée sur la figure 3. Elle présente un coeur légèrement elliptique 33 qui assure la propagation des deux modes LP11 spatiaux à des vitesses légèrement différentes. Cette différence de vitesses évite les couplages entre ces deux modes spatiaux. Chaque mode spatial est décomposé en deux modes de polarisation orthogonaux.
Lors de leur fabrication, le coeur 33 de ces fibres est entouré de deux barreaux 34 de verre dope qui se contractent fortement au refroidissement après l'étirage de la préforme. Ils sont noyés dans la gaine optique 35. La région du coeur est ainsi soumise à des contraintes anisotropes, ce qui crée une biréfringence élasto-optique.
Le dispositif de mesure comporte une source S
couplée ~ une fibre de mesure 1 de manière a favoriser le couplage d'au moins trois des modes LPll. A cet effet, un polariseur 2 est placé entre la source S et la fibre de mesure 1.
Des paramètres Pl et P2 appliqués à cette fibre de mesure 1 produisent une différence de phase ~1(Pl, P2) entre par exemple le mode LP11G~G et le mode LP11G~p et ~2(P1, P2) entre le mode LPllG~G et le mode LPl1p/G.
L'expérience a montré que ~l(Pl, P2) et ~2(Pl, P2) sont des fonctions ou lois linéairement indépendantes de telle sorte que, par étalonnage, les fonctions Pl (~
~2) et ~2 (~ 2) sont accessibles. Les mesures de ~1 et ~2 permettent ainsi d'obtenir les valeurs de P1 et P2 ~0 recherchées.
Les déphasages ~1(Pl, P2) et ~2(Pl, P2) entre le mode LPl1p/p et respectivement LP11p/G et LP11G/p sont également des fonctions indépendantes permettant la réalisation de la mesure.

W092/00506 ~ PCT/FR91/00515 c~ 5'`~ '~' '`' De manière générale, des déphasages obtenus respectivement entre des couples de modes spatiaux différents pour un même état de polarisation ou entre des couples de modes de polarisation différents pour un même ~tat spatial fourniraient des fonctions ~l et ~2 linéairement dépendantes ne permettant pas l'extraction de Pl et P2.
Des fonctions ~l et ~2 linéairement indépendantes sont obtenues lorsque ces fonctions représentent les déphasages entre un couple de modes spatiaux différents de même polarisation, d'une part, et un couple de mode de polarisation différent de même état spatial, d'autre part.
A la sortie de la fibre de mesure l, les trois modes LPll sont recombinés deux à deux par le moyen d'analyse 4 afin de créer des interférences.
Pour séparer ou recombiner deux modes de même structure spatiale et de polarisation orthogonale, par exemple LPllG/G et LPllG/P~ il est connu qu'il faut placer un polariseur à 45 des axes neutres de birefringence. Les deux polarisations se projettent sur la même direction intermédiaire à 4S et peuvent donc interférer. Pour séparer ou recombiner deux modes de même polarisation et de structure spatiale différente, il faut réaliser une opération équivalente de projection. Pour deux modes LPll de structure spatiale orthogonale, par exemple LPllG~G et LPllP/G~ une solution particulièrement intéressante consiste à placer en sortie de la fibre, une fibre identique mais avec une rotation de 45 des axes du coeur elliptique. Les deux modes spatiaux LPll se répartissent chacun sur les deux modes spatiaux LPll de la fibre à 45.
Il faut donc ensuite séparer ces modes pour opérer une fonction équivalente au polariseur dans le cas des modes de polarisation.

.. . . . .

., : ,,, ' .,, . . ' ''' ' . ' ' ~ ' " ' . . ' ',, ' .,,. '. : ' ' . ' ' ' ' ' W092/00506 PCT/FRg1/00515 9 2 ~

Le dispositif comporte avantageusement une fibre amorce et une fibre de sortie, placées de part et d'autre de la fibre de mesure, et de meme structure que celle-ci.
Les axes de la fibre amorce et de la fibre de sortie sont orientés à 45~ des axes de la fibre de mesure ;
elles assurent respectivement la separation et la recombinaison des modes de structures spatiales différentes d'une part et des modes de polarisation différentes d'autre part.
La séparation peut aussi être obtenue par découplage par prisme (voir l'article W.V. SORIN et al.
"PHASE VELOCITY MEASUREMENT USING PRISM OUTPUT COUPLING FOR
SINGLE AND FEW MODES OPTICAL FIBER" - OPTICS LETTERS, 11, plO6-108, 1986) avec la fibre polie latéralement et placé
en contact avec un milieu d'indice supérieur au coeur de la fibre.
Notons que cette methode du decouplage par prisme peut être aussi utilisee pour separer les deux polarisations (voir l'article H. C. LEFEVRE et al. "HIGH
SELECTIVITY POLARISATION SPLITTING FIBER COUPLERS"
S.P.I.E. Vol. 988 (1988), p63-69).
Pour realiser le derivateur à prisme 3 (figure 4), on place la flbre 7 dans un support 8 qui lui donne une courbure et permet son polissage jusqu'au voisinage du coeur. Le coeur de la ~ibre est alors mis en contact avec un milieu 9 d'indice superieur à son propre indice.
Chacun des modes (LPllG/p~ LP11G/G~ LPllP/P' LP11p~G) a une vitesse de propagation differente de celle des autres de telle sorte qu'il se refracte au passage dans le milieu 9 selon un angle qui lui est propre. Les modes sont ainsi geometriquement separes. Au moins un detecteur 30 mesure le flux lumineux produit. Il fournit un signal à
l'unité de traitement 40 qui assure, apr~s étalonnage, .. . . .. . - :; . . .. ~,: - . .

l'extraction des valeurs P1 et P2 des paramètres à partir de ~i et ~2.
Si une telle fibre de mesure peut être utilisée dans un montage interférométrique classique, il est particulièrement intéressant d'utiliser les techniques d'interférom~trie en lumière blanche ~figure 5). Dans ce cas, la source S à spectre large peut être considérée comme émettant des trains d'onde 10 de longueur égale à la longueur de cohérence de la source. Le train d'onde est couplé sur au moins trois des modes de la fibre, par exemple LPllG/G~ LP11G/P et LPllp/G~ A l'extrémité de l'élément de fibre sensible, le train d'onde initiale 10 est décomposé en trois trains d'onde 11, 12, 13 séparés temporellement à cause de la différence de vitesses des modes. Ces trois trains d'onde 11, 12, 13 sont recombinés par le moyen d'analyse 4 mais ne peuvent pas interférer car ils n'ont pas de recouvrement temporel. L'information de déphasage est cependant codée spectralement et peut être restituée en faisant passer ces trois trains recombinés dans un interféromètre d'analyse 14 qui a une différence de marche variable. Le contraste des franges rëapparaSt alors quand la différence de marche de l'interféromètre de relecture compense les déphasages de la fibre de mesure. la mesure des différences de marche restaurant un maximum local de contraste permet de détecter ~ distance les phasages ~i(P1~ P2)~ ~2(Pl~ P2) deux à deux entre les trois modes.
L'interféromètre de relecture 14 peut être un interféromètre de MICHELSON par exemple ou bien un interféromètre à coin d'air o~ l'interférogramme est projeté sur une barrette de photodiodes. es interférom~tres sont en eux-mêmes connus.
On a jusqu'à présent décrit un dispositif de mesure à fibre optique permettant de réaliser des mesures en un W092/00s06 PCT/FR91/00515 2 B ~ ~9s 53r~ ~7 point, plus précisément d'accéder aux effets cumulés des paramètres observés sur toute la longueur de la fibre de mesure. Ce dispositif est bien adapté à la réalisation de mesures multiplexées, c'est-à-dire aux mesures indépendantes de l'effet des paramètres étudies P1 et P2 entre différents points successifs Al, A2, A3, etc... d'une même fibre optique.
A cet effet, (figures 8 ~ 10) on crée à chacun de ces points A1, A2, A3, etc... un l~ger couplage entre les différents modes transitant dans la fibre de ~esure 1. Ces points de couplage sont en pratique réalisés en produisant sur la fibre, en un point donné, une légère torsion, en portant ce point à une certaine température puis en relâchant la torsion. Ces points de couplage produisent un transfert d'une partie de l'énergie contenue dans chacun des modes dans chacun des autres modes.
Les modes LP11 spatiaux ayant une orientation axiale similaire aux modes de polarisation linéaire, une rotation des axes de symétrie de la fibre de mesure crée un couplage entre un mode LPll et le même mode spatial de polarisation orthogonale mais aussi un couplage de valeur similaire entre ce mode LP11 de départ et le mode LP11 spatialement orthogonal et de même polarisation. Le couplage dans le mode de structure spatiale et de polarisation orthogonale peut ~tre considéré comme du deuxième ordre et donc négligeable.
Dans ce cas, le couplage de la source S ~ l'entrée de la fibre optique de mesure 1 est realise selon l'un des modes, par exemple le mode LPllG~G et la source lumineuse S
à spectre large emet des trains d'onde.
A chaque point de couplage, le train d'onde emis (LP1lG~G) donne naissance à des trains d'ondes faibles selon les deux autres modes (Ll1G~p, Ll1p~G). On obtient donc en sortie de la fibre, un train principal (LP11G~G) et ., , . .i~. . . . . ~ . .. : . .. .. .

~ .Q~ ~
une ?~rle de trains de faible lntensité (LP11G~pi), (LPllp~Gi) ~ i représente le point de couplage Ai.
A la sortie de la fibre de mesure, on produit la recombinaison entre le flux lumineux contenu dans le mode initialement excité LP11G~G et les flux sortants dans les deux autres modes,- LPllG/p et LP11P/G-Le faisceau ainsi produit est porteur d'un codagespectral représentatif des valeurs de déphasage ~li et ~2i liés ~ l'effet cumulé des paramètres P1 et P2 entre les points de couplage faible i et i + 1 Ces déphasages sont alors mesurés avec un interféromètre de relecture en recherchant les différences de marche qui restituent un maximum de contraste.
Plutot que de recombiner les trois modes de mesure sur un même faisceau et de mesurer avec l'interféromètre de relecture l'ensemble des déphasages 8~1i et ~2i~ il est aussi possible de recombiner en parallèle ou bien séquentiellement les modes d'orientation spatiale orthogonale entre eux indépendamment de la polarisation et les modes de polarisation orthogonale indépendamment de la structure spatiale. Les deux faisceaux de recombinaison sont alors envoyés sur un interféromètre de relecture, en parallèle ou séquentiellement, et les deux interférogrammes générés permettent de mesurer les valeurs ~li ou bien ~2i. Ceci permet d'éviter que les remontées de contraste de dephasages ~li qui interviendrait au meme endroit que des remontées de déphasages ~2i perturbe la mesure. 3 2 ~

In addition, it has been proposed to drown fibers measurement optics in materials, for example composite materials, and measure optical properties of these fibers so as to characterize the state of these materials. We have also suggested (for example in the patent FR-A-2 626 367 already cited ~) to use the properties strongly bir ~ fringent optical fibers to measure temperatures. We note, in these applications, that the optical properties of the measuring fibers depend simultaneously of their deformation and temperature. The contribution of each of these parameters is difficult to isolate and the methods used so far for this (for example the use of a reference) lead to the realization of relatively measuring devices complex.
Spajer et al (Optics Communications Vol. 60 N5 December 1 ~ 86, pages 261-264) offered to avoid the use of a reference fiber and the problem of its temperature by exploiting three spatial modes propagating in a non - birefringent measuring fiber ~. The measurement of two parameters, pressure and temperature, can be obtained when related to differences in phase between the modes considered by relations independent linear.
Some results have been obtained, however a strong dependence on the relationships between the differences in phase and parameters was found. This dependence is probably due to the fact ~ ue phase differences created between three spatial modes, taken two by two have originated from the same physical phenomenon.
The object of the present invention is the realization of a fiber optic measuring device of several parameters which allow to obtain a great precision, ensures the simultaneous measurement of several parameters in one Wo92 / ooso6 pcT / FRsl / oo5ls r ~ ,, c, ~ r, $ ~ 4 same point and allows to separate the contribution of each of them.
To this end, the device of the invention comprises:
- a light source, - at least one optical fiber sensitive to measured parameters with stable modes excited by the light source, a variation of each parameter meas ~ introducing phase shifts between different modes, - at least one coupling means separating the light lo incident between these measurement modes, - at least one detector receiving the light flux resulting from the interference of the measurement modes, - an electronic processing unit ensuring extracting values from measurement parameters from signals from detectors.
According to the invention, at least one of the fibers sensitive has at least three stable measurement modes, the phase shift between the modes of each of the couples depending on the parameters measured with laws linearly Z0 independent, means of analysis producing at least two separate measurements of the phase shifts between the modes of each of the couples. Said pairs of stable modes of measure are linearly polarized modes respectively LPl1 with two lobes, a couple being made up of two modes LP11 with the same polarization and spatial structure orthogonal (LP11G ~ G, LP11p ~ G for example), the other couple being composed of two LPl1 modes of the same spatial structure and of orthogonal polarization tLP11G ~ G, LPl1G ~ p by example).
The sensitive fiber is advantageously a fiber with constraint birefringence with a light heart elliptical, used beyond the cut. Fibers say "Bow-tie'i from YORK TEcHNOLOGY have these characteristics.
The slight ellipticity of the heart (short axis ratio on major axis of the order of 0.7 to 0.9) provides two modes LPll stable without preventing mode guidance LPllp as in the case of a strong ellipticity. Such a fiber therefore has six stable modes of possible measurement: three spatial modes LPo1, LP11G and LPl1p each subdivided into two linear polarizations parallel to the major axis either at the minor axis. These six modes will be noted later Ol / G ~ LPo1 / P ~ LPllG / G ~ LPllG / P 'LPllP / G and LPllP /
Preferably, the three stable modes of measurement will be an LP11 mode, the LP11 mode of the same distribution spatial and orthogonal polarization and the LP11 mode of same polarization and orthogonal spatial distribution, or for example LPllG / G ~ LPl1G / P 'LPl1P / G- The modes asymmetric LPll indeed have a similarity interesting with polarization modes. They also have spatial orientation and their speed difference are comparable to those of polarization modes.
The invention will be described in more detail in reference to the appended figures in which:
- Figure 1 is a block diagram of the device of the invention.
- Figure 2 is a representation of the modes fiber optic measurement systems affected by the invention.
- Figure 3 is a schematic representation of the section of an optical fiber usable as fiber measured.
- Figure 4 is a representation of the separator of modes usable at the output of the measurement fiber.
- Figure 5 is a representation of the device of the invention in white light interferometry.

~ '~ G
- Figure 6 e ~ t a representation of trains wave produced by a broad spectrum source.
Figure 7 is a representation of The interferogram produced by train interference shown in Figure 6.
- Figure 8 is a diagram of the measuring device multipoints according to the invention.
- Figure 9 is a representation of the principle of operation of this multi-point measuring device.
- Figure 10 is the representation of a interferogram produced by one of the interferometers analysis.
The sensitive element of the measuring device is a optical fiber called "sensitive fiber" with birefringence of constraint and slightly elliptical heart not presenting than a limited number of spatial modes. In practice, such that represented in FIG. 2, we consider a mode symmetrical fundamental LPol with one lobe and two modes secondary orthogonal anti-symmetrical LPllG and LPllp ~
two lobes. Each of these spatial modes is broken down into of two linearly polarized, orthogonal modes (respectively LPol / p, LPol / Gl LPllG / P ~ LPllG / G ~ LPllP / P ~
LPllP / G) Two independent phase shift measurements are ~ aites, on the one hand between two polarization modes di ~ ferents of the same spatial mode, on the other hand between two different spatial modes with the same polarization. So, we carry out a double measurement of the two parameters sought and the two laws which link the phase shifts to the parameters being linearly independent, we can separate the effect of each of the two parameters and get two measurements precise, simultaneous and independent.
Sensitive optical fiber therefore has the property of present stable spatial modes LP11G and LP1lp. he ~ ~ ~ L ~, 7 it is for example a birefringence fiber of "Bow-tie" constraints. For example, a fiber of this type is shown in Figure 3. It presents a slightly elliptical core 33 which propagates of the two spatial LP11 modes at slightly faster speeds different. This difference in speeds avoids couplings between these two spatial modes. Each mode spatial is broken down into two polarization modes orthogonal.
During their manufacture, the core 33 of these fibers is surrounded by two bars 34 of doped glass which contract strongly on cooling after stretching the preform. They are embedded in the optical sheath 35. The heart region is thus subject to constraints anisotropic, which creates an elasto-optical birefringence.
The measuring device comprises a source S
coupled ~ a measuring fiber 1 so as to favor the coupling of at least three of the LP11 modes. To this end, a polarizer 2 is placed between the source S and the fiber measure 1.
Pl and P2 parameters applied to this fiber measure 1 produce a phase difference ~ 1 (Pl, P2) between for example the mode LP11G ~ G and the mode LP11G ~ p and ~ 2 (P1, P2) between LPllG ~ G mode and LPl1p / G mode.
Experience has shown that ~ l (Pl, P2) and ~ 2 (Pl, P2) are linearly independent functions or laws so that, by calibration, the functions Pl (~
~ 2) and ~ 2 (~ 2) are accessible. The measures of ~ 1 and ~ 2 thus make it possible to obtain the values of P1 and P2 ~ 0 searched.
The phase shifts ~ 1 (Pl, P2) and ~ 2 (Pl, P2) between the LPl1p / p mode and respectively LP11p / G and LP11G / p are also independent functions allowing the carrying out the measurement.

W092 / 00506 ~ PCT / FR91 / 00515 c ~ 5'` ~ '~''``

Generally, phase shifts obtained respectively between pairs of spatial modes different for the same polarization state or between couples of different polarization modes for the same ~ space state would provide functions ~ l and ~ 2 linearly dependent not allowing the extraction of Pl and P2.
Linearly independent functions ~ l and ~ 2 are obtained when these functions represent the phase shifts between a couple of different spatial modes of same polarization, on the one hand, and a couple of different polarization of the same spatial state, on the other hand.
At the output of the measurement fiber l, the three LPll modes are recombined two by two by means 4 to create interference.
To separate or combine two modes in the same way spatial structure and orthogonal polarization, by example LPllG / G and LPllG / P ~ it is known to place a polarizer at 45 neutral birefringence axes. The two polarizations project in the same direction intermediate to 4S and can therefore interfere. For separate or recombine two modes of the same polarization and different spatial structure, you have to make a equivalent projection operation. For two LPll modes of orthogonal spatial structure, for example LPllG ~ G and LPllP / G ~ a particularly interesting solution consists of placing a fiber at the outlet of the fiber identical but with a rotation of 45 of the axes of the heart elliptical. The two spatial modes LPll are distributed each on the two spatial modes LPll of the fiber at 45.
We must then separate these modes to operate a equivalent function to the polarizer in the case of the polarization.

... . . .

.,: ,,, '. ,,. . '''''.'' ~ '"'.. '' ,, '. ,,.'.: ''. ''''' W092 / 00506 PCT / FRg1 / 00515 9 2 ~

The device advantageously comprises a fiber pigtail and an exit fiber, placed on both sides of the measuring fiber, and of the same structure as this.
The axes of the starter fiber and the output are oriented at 45 ~ from the axes of the measuring fiber;
they respectively ensure separation and recombination of modes of different spatial structures on the one hand and different polarization modes on the other go.
Separation can also be achieved by decoupling by prism (see the article WV SORIN et al.
"VELOCITY MEASUREMENT USING PRISM OUTPUT COUPLING FOR PHASE
SINGLE AND FEW MODES OPTICAL FIBER "- OPTICS LETTERS, 11, plO6-108, 1986) with the fiber polished laterally and placed in contact with a medium of higher index at the heart of the fiber.
Note that this prism decoupling method can also be used to separate the two polarizations (see the article HC LEFEVRE et al. "HIGH
SELECTIVITY POLARIZATION SPLITTING FIBER COUPLERS "
SPIE Vol. 988 (1988), p63-69).
To make the prism derivator 3 (figure 4), we place the flbre 7 in a support 8 which gives it a curvature and allows its polishing up to the vicinity of the heart. The heart of the ~ ibre is then brought into contact with a middle 9 of index higher than its own index.
Each of the modes (LPllG / p ~ LP11G / G ~ LPllP / P ' LP11p ~ G) at a propagation speed different from that from others so that it refracts as it passes through the medium 9 at its own angle. The trends are thus geometrically separated. At least one detector 30 measures the luminous flux produced. It provides a signal to the processing unit 40 which, after calibration, ... . ... -:; . . .. ~ ,: -. .

extracting the P1 and P2 values of the parameters from of ~ i and ~ 2.
If such a measuring fiber can be used in a conventional interferometric assembly, it is particularly interesting to use the techniques of interferom ~ sorts in white light ~ Figure 5). In this case, the broad spectrum source S can be considered as emitting wave trains 10 of length equal to the source coherence length. The wave train is coupled on at least three of the modes of the fiber, by example LPllG / G ~ LP11G / P and LPllp / G ~ At the end of the sensitive fiber element, the initial wave train 10 is broken down into three separate wave trains 11, 12, 13 temporally because of the speed difference of modes. These three wave trains 11, 12, 13 are recombined by means of analysis 4 but cannot interfere because they have no time overlap. Information phase shift is however spectrally coded and can be restored by passing these three recombined trains in an analysis interferometer 14 which has a difference of variable step. The contrast of the fringes will reappear when the path difference of the interferometer proofreading compensates for the phase differences of the measurement fiber. the measure of the differences in market restoring a maximum local contrast allows remote detection of phasing ~ i (P1 ~ P2) ~ ~ 2 (Pl ~ P2) two by two between the three modes.
The replay interferometer 14 can be a MICHELSON interferometer for example or a air wedge interferometer o ~ the interferogram is projected on an array of photodiodes. es ~ very interferom are known in themselves.
A measuring device has so far been described with fiber optics for measurements in one W092 / 00s06 PCT / FR91 / 00515 2 B ~ ~ 9s 53r ~ ~ 7 point, specifically to access the cumulative effects of parameters observed over the entire length of the measured. This device is well suited to the realization of multiplexed measurements, i.e. measurements independent of the effect of the parameters studied P1 and P2 between different successive points A1, A2, A3, etc ... of a same optical fiber.
To this end, (Figures 8 ~ 10), each of these points A1, A2, A3, etc ... a slight coupling between the different modes passing through the fiber of ~ esure 1. These coupling points are in practice achieved by producing on the fiber, at a given point, a slight twist, in bringing this point to a certain temperature then in loosening the twist. These coupling points produce a transfer of part of the energy contained in each modes in each of the other modes.
LP11 spatial modes with orientation axial similar to linear polarization modes, a rotation of the axes of symmetry of the measuring fiber creates a coupling between an LPll mode and the same spatial mode of orthogonal polarization but also a value coupling similar between this starting LP11 mode and the LP11 mode spatially orthogonal and of the same polarization. The coupling in the spatial structure mode and orthogonal polarization can be considered as second order and therefore negligible.
In this case, the coupling of the source S ~ the input of the measuring optical fiber 1 is carried out according to one of the modes, for example LPllG ~ G mode and light source S
broad spectrum emits wave trains.
At each coupling point, the wave train emitted (LP1lG ~ G) gives rise to weak wave trains according to the other two modes (Ll1G ~ p, Ll1p ~ G). We obtain so at the output of the fiber, a main train (LP11G ~ G) and .,,. .i ~. . . . . ~. ..:. .. ...

~ .Q ~ ~
a role of low intensity trains (LP11G ~ pi), (LPllp ~ Gi) ~ i represents the coupling point Ai.
At the output of the measuring fiber, the recombination between the luminous flux contained in the mode initially excited LP11G ~ G and outgoing flows in them two other modes, - LPllG / p and LP11P / G-The beam thus produced carries a spectral coding representative of the phase shift values ~ li and ~ 2i linked ~ the cumulative effect of parameters P1 and P2 between weak coupling points i and i + 1 These phase shifts are then measured with a replay interferometer in looking for the differences in walking which restore a maximum contrast.
Rather than recombining the three measurement modes on the same beam and measure with the interferometer of rereading all the phase shifts 8 ~ 1i and ~ 2i ~ it is also possible to recombine in parallel or else sequentially spatial orientation modes orthogonal to each other regardless of polarization and orthogonal polarization modes regardless of the spatial structure. The two recombination beams are then sent to a replay interferometer, in parallel or sequentially, and the two interferograms generated allow to measure the values ~ li or ~ 2i. This prevents the contrast rising of phase shifts ~ li which would occur in the same place as phase shift ups ~ 2i disturbs the measurement.

Claims

13

1. Fiber optic measuring device of several parameters including:
- a light source (S), - at least one optical fiber (1) sensitive to measured parameters (P1, P2) exhibiting stable modes excited by the light source (S), a variation of each measured parameter (P1, P2) introducing phase shifts (.delta..PHI.i, .delta..PHI.2) between the different modes called "measurement modes", two by two, - at least one coupling means separating the light incident between these measurement modes, - at least one means of recombination of these modes measurements in order to recreate interference, - at least one detector (30) receiving the flow luminous resulting from the interference of the measurement modes, - an electronic processing unit (40) ensuring the extraction of the values of the parameters measured at from the signals coming out of the detectors (30), characterized in that:
. the sensitive fibers (1) present couples of stable measurement modes, the phase shifts introduced (.delta..PHI.1, .delta..PHI.2) by the measurement fiber between the modes of each of the torques dependent by linearly independent laws measured parameters (P1, P2), . said pairs of stable measurement modes being respectively the linearly polarized modes LP11 with two lobes, a couple being composed of two LP11 modes of the same polarization and orthogonal spatial structure, the other pair consisting of two LP11 modes of the same structure spatial and orthogonal polarization.
. analysis means producing at least two separate measurements of the phase shifts between the modes of each couples, . the processing unit (40) performing the extraction independent values of the two parameters measured by the same sensitive fiber, from the phase shifts.

2. Fiber optic measuring device of several parameters according to claim 1, characterized in that the two parameters measured are the deformation longitudinal length of the sensitive fiber and its temperature.

3. Fiber optic measuring device of several parameters according to any of the claims 1 and 2, characterized in that the fiber sensitive is a birefringent fiber with maintenance of polarization produced by internal stresses and having a elliptical core, the orientation of which is represented by axes.

4. Fiber optic measuring device according to claim 3, characterized in that it comprises a fiber leader and an output fiber placed on either side of the measuring fiber, of the same structure as the fiber of measurement, the axes of which are oriented at 45° from the axes of said measuring fiber, the pigtail fiber and the fiber outlet ensuring respectively the separation and the recombination of modes of different spatial structures on the one hand and different polarization modes on the other go.

5. Fiber optic measuring device of several parameters according to any of the claim 1 to 3, characterized in that it includes a prism differentiator ensuring the recombination of the modes of measurement at the output of the sensitive fiber by an orientation at 45° from the shunt pigtail.

6. Fiber optic remote measuring device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it includes a broad spectrum source and a replay interferometer for measuring the phase shifts generated mode to mode in the sensitive fiber.

7. Fiber optic measuring device of several parameters according to any of the claims 1 to 6, characterized in that it comprises several couplings allowing the measurement of both parameters on several segments, mode couplings being ensured by a local rotation of the axes of symmetry sensitive fiber.