EP0489899A1 - Dispositif de mesure a fibre optique de plusieurs parametres - Google Patents

Dispositif de mesure a fibre optique de plusieurs parametres

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EP0489899A1
EP0489899A1 EP19910912705 EP91912705A EP0489899A1 EP 0489899 A1 EP0489899 A1 EP 0489899A1 EP 19910912705 EP19910912705 EP 19910912705 EP 91912705 A EP91912705 A EP 91912705A EP 0489899 A1 EP0489899 A1 EP 0489899A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
modes
fiber
measurement
parameters
measured
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19910912705
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Martin
Hervé Lefevre
François Xavier DESFORGES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Photonetics SA
Original Assignee
Photonetics SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Photonetics SA filed Critical Photonetics SA
Publication of EP0489899A1 publication Critical patent/EP0489899A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/344—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using polarisation

Definitions

  • the present invention relates to a fiber optic measuring device in which the sensitive element is a fiber whose properties vary according to the parameters to be measured.
  • polarimetric birefringent fiber sensors have been developed.
  • the measured parameter produces a variation in the birefringence of an optical fiber.
  • a linearly polarized light beam is coupled to this fiber. It is analyzed after transmission in order to measure the phase shift introduced by the fiber between the two orthogonal modes linearly polarized (see the article VARNHAM ET AL. "ELECTRONICS LETTERS" - August 18, 1983 - Vol. 19 n ° 17).
  • the parameter to be measured can be, in particular, the temperature or the longitudinal deformation, for example.
  • FR-A-2 626 367 It has also been proposed (FR-A-2 626 367) to produce a multi-point optical fiber temperature sensor.
  • a light flux of low temporal and polarized coherence is coupled to a birefringence optical fiber comprising a certain number of weak coupling points.
  • the incoming flow is coupled to one of the modes, for example to the fast mode, of the fiber.
  • a small part of the energy of this polarization mode is transmitted to the other polarization mode.
  • Such a fiber therefore has only two spatial modes: LP 01 mode and LP 11G mode, and the analysis of the interference between these two modes makes it possible to detect parameters such as temperature or longitudinal deformation in a manner comparable to the measurement made with a spatially single-mode fiber with two polarization modes.
  • optical measurement fibers in materials, for example composite materials, and to measure the optical properties of these fibers so as to characterize the state of these materials.
  • the object of the present invention is the production of a fiber optic measurement device for several parameters which makes it possible to obtain high accuracy, ensures the simultaneous measurement of several parameters in one same point and allows to separate the contribution of each of them.
  • the device of the invention comprises: - a light source
  • an electronic processing unit ensuring the extraction of the values of the measured parameters from the signals leaving the detectors.
  • At least one of the sensitive fibers has at least three stable measurement modes, the phase shift between the modes of each of the pairs depending on the parameters measured with linearly independent laws, analysis means producing at least two separate measurements of the phase shifts between the modes of each of the pairs.
  • Said pairs of stable measurement modes are respectively the linearly polarized modes LP 11 with two lobes, a pair being composed of two modes LP 11 of the same polarization and of orthogonal spatial structure (LP 11G / G , LP 11P / G for example), the other pair being made up of two LP 11 modes with the same spatial structure and orthogonal polarization (L P11G / G , LP 11G / P for example).
  • the sensitive fiber is advantageously a stress birefringence fiber with a slightly elliptical core, used beyond the cut. Fibers say "Bow-tie" of YORK TECHNOLOGY have these characteristics.
  • the slight ellipticity of the heart ensures two stable LP 11 modes without preventing mode guidance
  • LP 11P as in the case of a strong ellipticity.
  • Such a fiber therefore has six stable modes of possible measurement: three spatial modes LP 01 , LP 11G and LP 11P each subdivided into two linear polarizations parallel either to the major axis or to the minor axis. These six modes will be noted later
  • LP 01 / G LP 01 / P , LP 11G / G , LP 11G / P , LP 11P / G and LP 11P / P.
  • the three stable measurement modes will be an LP 11 mode , the LP 11 mode with the same spatial distribution and orthogonal polarization and the LP 11 mode with the same polarization and orthogonal spatial distribution, for example LP 11G / G , LP 11G / P , LP 11P / G.
  • the asymmetric modes LP 11 indeed have an interesting similarity with the polarization modes. They also have a spatial orientation and their speed difference is comparable to that of the polarization modes.
  • Figure 1 is a block diagram of the device of the invention.
  • FIG. 2 is a representation of the spatial modes of the optical measurement fiber concerned by the invention.
  • FIG. 3 is a schematic representation of the section of an optical fiber usable as a measurement fiber.
  • FIG. 4 is a representation of the mode separator usable at the output of the measurement fiber.
  • - Figure 5 is a representation of the device of the invention in white light interferometry.
  • - Figure 6 is a representation of the wave trains produced by a broad spectrum source.
  • FIG. 7 is a representation of the interferogram produced by interference of the wave trains shown in FIG. 6.
  • FIG. 8 is a diagram of the multi-point measurement device according to the invention.
  • FIG. 9 is a representation of the operating principle of this multipoint measurement device.
  • FIG. 10 is the representation of an interferogram produced by one of the analysis interferometers.
  • the sensitive element of the measurement device is an optical fiber called "sensitive fiber" with birefringence of stress and slightly elliptical core having only a limited number of spatial modes.
  • FIG. 2 we consider a symmetrical fundamental mode LP 01 with a lobe and two antisymmetrical secondary modes orthogonal LP 11G and LP 11P with two lobes. Each of these spatial modes is broken down into two linearly polarized, orthogonal modes (respectively LP 01 / P , LP 01 / G , LP 11G / P , LP 11G / G , LP 11P / P ,
  • Two independent phase shift measurements are made, on the one hand between two different polarization modes of the same spatial mode, on the other hand between two different spatial modes and of the same polarization.
  • a double measurement of the two sought parameters is carried out and the two laws which link the phase shifts to the parameters being linearly independent, one can separate the effect of each of the two parameters and obtain two precise, simultaneous and independent measurements.
  • Sensitive optical fiber therefore has the property of having stable spatial modes LP 11G and LP 11P . he it is for example a fiber with birefringence of constraints of the "Bow-tie" type.
  • a fiber of this type is shown in FIG. 3. It has a slightly elliptical core 33 which ensures the propagation of the two spatial modes LP 11 at slightly different speeds. This difference in speeds avoids coupling between these two spatial modes.
  • Each spatial mode is broken down into two orthogonal polarization modes.
  • the core 33 of these fibers is surrounded by two bars 34 of doped glass which contract strongly upon cooling after the preform has been drawn. They are embedded in the optical sheath 35. The region of the heart is thus subjected to anisotropic stresses, which creates an elasto-optical birefringence.
  • the measurement device comprises a source S coupled to a measurement fiber 1 so as to favor the coupling of at least three of the LP 11 modes.
  • a polarizer 2 is placed between the source S and the measurement fiber 1.
  • Parameters P 1 and P 2 applied to this measurement fiber 1 produce a phase difference ⁇ 1 (P 1 , P 2 ) between for example the mode LP 11G / G and the mode LP 11G / P and ⁇ 2 (P 1 , P 2 ) between LP 11G / G mode and LP 11P / G mode.
  • P 2 are linearly independent functions or laws such that, by calibration, the functions P 1 ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) and P 2 ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) are accessible. The measurements of ⁇ 1 and ⁇ 2 thus make it possible to obtain the values of P 1 and P 2 sought.
  • phase shifts ⁇ 1 (P 1 , P 2 ) and ⁇ 2 (P 1 , P 2 ) between the LP 11P / P mode and respectively LP 11P / G and LP 11G / P are independent functions allowing the measurement to be carried out .
  • phase shifts obtained respectively between couples of different spatial modes for the same polarization state or between couples of different polarization modes for the same spatial state would provide linearly dependent functions ⁇ 1 and ⁇ 2 not allowing the extraction of P 1 and P 2 .
  • Linearly independent functions ⁇ 1 and ⁇ 2 are obtained when these functions represent the phase shifts between a couple of different spatial modes of the same polarization, on the one hand, and a couple of different polarization modes of the same spatial state, on the other hand .
  • the three LP modes 11 are recombined two by two by the analysis means 4 in order to create interference.
  • a particularly advantageous solution consists in placing at the output of the fiber, an identical fiber but with a rotation of 45 ° of the axes of the elliptical core .
  • the two spatial modes LP 11 are each distributed over the two spatial modes LP 11 of the fiber at 45 °.
  • the device advantageously comprises a starter fiber and an output fiber, placed on either side of the measurement fiber, and of the same structure as the latter.
  • the axes of the pigtail and the output fiber are oriented at 45 ° from the axes of the measurement fiber; they respectively ensure the separation and the recombination of the different spatial structure modes on the one hand and of the different polarization modes on the other hand.
  • the fiber 7 is placed in a support 8 which gives it a curvature and allows it to be polished up to the vicinity of the core.
  • the fiber core is then brought into contact with a medium 9 of index greater than its own index.
  • Each of the modes (LP 11G / P , LP 11G / G , LP 11P / P , LP 11p / G ) has a propagation speed different from that of the others so that it refracts on passing through the medium 9 according to a its own angle.
  • the modes are thus geometrically separated.
  • At least one detector 30 measures the luminous flux produced. It supplies a signal to the processing unit 40 which, after calibration, ensures extracting the values P 1 and P 2 of the parameters from ⁇ i and ⁇ 2 .
  • the broad spectrum source S can be considered as emitting wave trains 10 of length equal to the coherence length of the source.
  • the wave train is coupled to at least three of the fiber modes, for example LP 11G / G , LP 11G / P and LP 11P / G.
  • the initial wave train 10 is broken down into three wave trains 11, 12, 13 separated in time because of the difference in speed of the modes. These three wave trains 11, 12, 13 are recombined by the analysis means 4 but cannot interfere because they have no time overlap.
  • phase shift information is however spectrally coded and can be restored by passing these three recombined trains through an analysis interferometer 14 which has a variable path difference.
  • the contrast of the fringes then reappears when the path difference of the replay interferometer compensates for the phase shifts of the measurement fiber, the measurement of the path differences restoring a local maximum of contrast makes it possible to detect the phase shifts ⁇ i (P 1 , P 2 ), ⁇ 2 (P 1 , P 2 ) two by two between the three modes.
  • the replay interferometer 14 can be a MICHELSON interferometer for example or an air wedge interferometer where the interferogram is projected onto a strip of photodiodes. These interferometers are known per se.
  • a fiber optic measuring device has thus far been described making it possible to carry out measurements in one point, more specifically to access the cumulative effects of the parameters observed over the entire length of the measurement fiber.
  • This device is well suited for carrying out multiplexed measurements, that is to say measurements independent of the effect of the parameters studied P 1 and P 2 between different successive points A 1 , A 2 , A 3 , etc. of the same optical fiber.
  • the spatial LP 11 modes have an axial orientation similar to the linear polarization modes, a rotation of the axes of symmetry of the measurement fiber creates a coupling between an LP 11 mode and the same spatial orthogonal polarization mode but also a coupling of similar value between the LP 11 mode of departure and the LP 11 mode and spatially orthogonal with the same polarization.
  • the coupling in the spatial structure and orthogonal polarization mode can be considered as second order and therefore negligible.
  • the coupling of the source S to the input of the measurement optical fiber 1 is carried out according to one of the modes, for example the LP 11G / G mode and the light source S with broad spectrum emits trains d 'wave.
  • the transmitted wave train (LP 11G / G ) gives rise to weak wave trains according to the other two modes (L 11G / P , L 11P / G ). 0n therefore obtains at the output of the fiber, a main train (LP 11G / G ) and a series of low intensity trains (LP 11G / Pi ), (LP 11P / Gi ) where i represents the coupling point A i .
  • the recombination is produced between the light flux contained in the initially excited mode LP 11G / G and the outgoing fluxes in the two other modes, LP 11G / P and LP 11P / G.
  • the beam thus produced carries a spectral coding representative of the phase shift values ⁇ 1i and ⁇ 2i linked to the cumulative effect of the parameters P 1 and P 2 between the weak coupling points i and i + 1 .
  • These phase shifts are then measured with a read-back interferometer, looking for the path differences which restore maximum contrast.

Landscapes

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Abstract

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 (deltaPHIi, deltaPHI2) 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 (deltaPHIi, deltaPHI2) 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.

Description

DISPOSITIF DE MESURE A FIBRE OPTIQUE DE PLUSIEURS
PARAMETRES
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 référer à l'ouvrage "OPTICAL FIBER SENSORS", édité par B. CULSHAW et J. DAKIN, 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 biréfringence d'une fibre optique. Un faisceau lumineux polarisé linéairement est couplé à cette fibre. Il est analysé après transmission de manière à mesurer le déphasage introduit par la fibre entre les deux modes orthogonaux polarisés linéairement (voir l'article VARNHAM ET AL. "ELECTRONICS LETTERS" - 18 août 1983 - Vol. 19 n° 17). Le paramètre à mesurer pouvant être, en particulier, la température ou bien la déformation longitudinale, par exemple.
Il a également été proposé (FR-A-2 626 367) de réaliser un capteur multipoint de température à fibre optique. Dans ce dispositif, un flux lumineux de faible cohérence temporelle et polarisé est couplé à une fibre optique à biréfringence comportant un certain nombre de points de couplage faible. Le flux entrant est couplé 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'énergie de ce mode de polarisation est transmise à 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 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 été montré (article "USE OF HIGHLY ELLIPTICAL CORE FIBER FOR TWO-MODE FIBER DEVICES" par B. Y. KIM ET AL. "OPTICS LETTERS" - 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 inférieure à sa longueur d'onde de coupure. En particulier, juste endessous de cette longueur d'onde de coupure, la fibre possède trois modes spatiaux : le mode LP01 fondamental et deux modes antisymétriques LP11 à deux lobes. Dans une fibre à coeur circulaire, ces deux modes LP11 sont quasidégénérés, ce qui procure des instabilités. C'est pourquoi il a été proposé d'utiliser une fibre à coeur très elliptique. Dans ce cas, le mode LP11 dont les deux lobes sont alignés sur le grand axe du coeur elliptique (noté LP11G Par la suite) est guidé tout comme le mode fondamental LP01, alors que le mode LP11 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 LP01 et le mode LP11G, 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. 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 fibres de manière à caractériser l'état de ces matériaux. On a également suggéré, (par exemple dans le brevet FR-A-2 626 367 déjà cité) d'utiliser les propriétés des fibres optiques fortement biréfringentes pour mesurer des températures. On constate, dans ces applications, que les propriétés optiques des fibres de mesure dépendent simultanément de leur déformation et de la température. La contribution de chacun de ces paramètres est difficile 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 N°5 décembre 1986, 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 - biréfringente. 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 été obtenus, toutefois une forte dépendance des relations entre les différences de phase et les paramètres a été constatée. Cette dépendance est probablement due au fait que 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 réalisation d'un dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres qui permet d'obtenir une grande précision, assure la mesure simultanée de plusieurs paramètres en un 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 mesuré introduisant des déphasages entre différents modes,
- au moins un moyen de couplage séparant la lumière incidente entre ces modes de mesure,
- au moins un détecteur recevant le flux lumineux résultant de l'interférence des modes de mesure,
- une unité de traitement électronique assurant l'extraction des valeurs des paramètres mesurés à partir des signaux sortant des détecteurs.
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 dépendant des paramètres mesurés avec des lois linéairement 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 linéairement LP11 à deux lobes, un couple étant composé de deux modes LP11 de même polarisation et de structure spatiale orthogonale (LP11G/G, LP11P/G par exemple), l'autre couple étant composé de deux modes LP11 de même structure spatiale et de polarisation orthogonale (LP11G/G, LP11G/P par exemple).
La fibre sensible est avantageusement une fibre à biréfringence de contrainte avec un coeur légèrement elliptique, utilisée au delà de la coupure. Les fibres dites "Bow-tie" de YORK TECHNOLOGY possèdent ces caractéristiques.
La légère ellipticite du coeur (rapport petit axe sur grand axe de l'ordre de 0,7 à 0,9) assure deux modes LP11 stables sans pour autant empêcher le guidage du mode
LP11P comme dans le cas d'une forte ellipticite. Une telle fibre a donc six modes stables de mesure possible : trois modes spatiaux LP01, LP11G et LP11P subdivisés chacun en deux polarisations linéaires parallèles soit au grand axe soit au petit axe. Ces six modes seront notés par la suite
LP01/G, LP01/P, LP11G/G, LP11G/P, LP11P/G et LP11P/P.
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 LP11G/G, LP11G/P, LP11P/G. Les modes antisymétriques LP11 possèdent en effet une similitude intéressante avec les modes de polarisation. Ils ont aussi une orientation spatiale et leur différence de vitesses sont comparables à celles des modes de polarisation.
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux figures annexées 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 optique 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. - La figure 6 est une représentation des trains d'onde produit par une source à spectre large.
- La figure 7 est une représentation de l'interferogramme produit par interférences des trains d'onde représentées sur la figure 6.
- La figure 8 est un schéma du dispositif de mesure multipoints conformes à 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 interferogramme 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 limité de modes spatiaux. En pratique, telle que représentée sur la figure 2, on considère un mode fondamental symétrique LP01 à un lobe et deux modes secondaires antisymétriques orthogonaux LP11G et LP11P à deux lobes. Chacun de ces modes spatiaux est décomposé en deux modes linéairement polarisés, orthogonaux (respectivement LP01/P, LP01/G, LP11G/P, LP11G/G, LP11P/P,
LP11P/G).
Deux mesures indépendantes de déphasage sont faites, d'une part entre deux modes de polarisation différents d'un même mode spatial, d'autre part entre deux modes spatiaux différents et de même polarisation. Ainsi, on réalise une double mesure des deux paramètres recherchés et les deux lois qui lient les déphasages aux paramètres étant linéairement indépendantes, on peut séparer l'effet de chacun des deux paramètres et obtenir deux mesures précises, simultanées et indépendantes.
La fibre optique sensible a donc la propriété de présenter des modes spatiaux stables LP11G et LP11P. Il 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 dopé 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 à une fibre de mesure 1 de manière à favoriser le couplage d'au moins trois des modes LP11. A cet effet, un polariseur 2 est placé entre la source S et la fibre de mesure 1.
Des paramètres P1 et P2 appliqués à cette fibre de mesure 1 produisent une différence de phase δΦ1(P1, P2) entre par exemple le mode LP11G/G et le mode LP11G/P et δΦ2(P1, P2) entre le mode LP11G/G et le mode LP11P/G.
L'expérience a montré que δΦ1(P1, P2) et δΦ2(P1,
P2) sont des fonctions ou lois linéairement indépendantes de telle sorte que, par étalonnage, les fonctions P1 ( δΦ1 , δΦ2) et P2 (δΦ1 , δΦ2) sont accessibles. Les mesures de δΦ1 et δΦ2 permettent ainsi d'obtenir les valeurs de P1 et P2 recherchées.
Les déphasages δΦ1 (P1 , P2) et δΦ2(P1, P2) entre le mode LP11P/P et respectivement LP11P/G et LP11G/P sont également des fonctions indépendantes permettant la réalisation de la mesure. 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 état spatial fourniraient des fonctions Φ1 et Φ2 linéairement dépendantes ne permettant pas l'extraction de P1 et P2.
Des fonctions Φ1 et Φ2 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 1, les trois modes LP11 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 LP11G/G et LP11G/P, il est connu qu'il faut placer un polariseur à 45° des axes neutres de biréfringence. Les deux polarisations se projettent sur la même direction intermédiaire à 45° 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 LP11 de structure spatiale orthogonale, par exemple LP11G,G et LP11P/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 LP11 se répartissent chacun sur les deux modes spatiaux LP11 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. 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 même 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 séparation 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, pl06-108, 1986) avec la fibre polie latéralement et placé en contact avec un milieu d'indice supérieur au coeur de la fibre.
Notons que cette méthode du découplage par prisme peut être aussi utilisée pour séparer 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 réaliser le dérivateur à prisme 3 (figure 4), on place la fibre 7 dans un support 8 qui lui donne une courbure et permet son polissage jusqu'au voisinage du coeur. Le coeur de la fibre est alors mis en contact avec un milieu 9 d'indice supérieur à son propre indice.
Chacun des modes (LP11G/P, LP11G/G, LP11P/P, LP11p/G) a une vitesse de propagation différente de celle des autres de telle sorte qu'il se réfracte au passage dans le milieu 9 selon un angle qui lui est propre. Les modes sont ainsi géométriquement séparés. Au moins un détecteur 30 mesure le flux lumineux produit. Il fournit un signal à l'unité de traitement 40 qui assure, après étalonnage, l'extraction des valeurs P1 et P2 des paramètres à partir de Φi et Φ2.
Si une telle fibre de mesure peut être utilisée dans un montage interférornétrique classique, il est particulièrement intéressant d'utiliser les techniques d' interférométrie 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 LP11G/G, LP11G/P et LP11P/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 réapparaît 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 à distance les déphasages δΦi(P1, P2), δΦ2(P1, 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 où l'interferogramme est projeté sur une barrette de photodiodes. Ces interféromètres 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 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 étudiés P1 et P2 entre différents points successifs A1, A2, A3, etc... d'une même fibre optique.
A cet effet, (figures 8 à 10) on crée à chacun de ces points A1 , A2, A3, etc... un léger couplage entre les différents modes transitant dans la fibre de mesure 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 LP11 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 être considéré comme du deuxième ordre et donc négligeable.
Dans ce cas, le couplage de la source S à l'entrée de la fibre optique de mesure 1 est réalisé selon l'un des modes, par exemple le mode LP11G/G et la source lumineuse S à spectre large émet des trains d'onde.
A chaque point de couplage, le train d'onde émis (LP11G/G) donne naissance à des trains d'ondes faibles selon les deux autres modes (L11G/P, L11P/G). 0n obtient donc en sortie de la fibre, un train principal (LP11G/G) et une série de trains de faible intensité (LP11G/Pi), (LP11P/Gi) où 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, LP11G/P et LP11P/G.
Le faisceau ainsi produit est porteur d'un codage spectral représentatif des valeurs de déphasage δΦ1i et δΦ 2i liés à 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.
Plutôt que de recombiner les trois modes de mesure sur un même faisceau et de mesurer avec l'interféromètre de relecture l'ensemble des déphasages δΦ1i et δΦ2i, 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 δΦ1i ou bien δΦ2i. Ceci permet d'éviter que les remontées de contraste de déphasages δΦ1i qui interviendrait au même endroit que des remontées de déphasages δΦ2i perturbe la mesure.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. 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 (δΦi, δΦ2) 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 mesure 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 des couples de modes stables de mesure, les déphasages introduits (δΦ1, δΦ2) par la fibre de mesure entre les modes de chacun des couples dépendant par des lois linéairement indépendantes des paramètres mesurés (P1, P2),
. lesdits couples de modes stables de mesure étant respectivement les modes polarisés linéairement LP11 à deux lobes, un couple étant composé de deux modes LP11 de même polarisation et de structure spatiale orthogonale, l'autre couple étant composé de deux modes LP11 de même structure spatiale et de polarisation orthogonale.
. des moyens d'analyse produisant au moins deux mesures séparées des déphasages entre les modes de chacun des couples,
. l'unité de traitement (40) assurant l'extraction des valeurs indépendantes des deux paramètres mesurés par une même fibre sensible, à partir des déphasages.
2. Dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux paramètres mesurés sont la déformation longitudinale de la fibre sensible et sa température.
3. Dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fibre sensible est une fibre biréfringente à maintien de polarisation produite par contraintes internes et ayant un coeur elliptique, dont l'orientation est représentée par des axes.
4. Dispositif de mesure à fibre optique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une fibre amorce et une fibre de sortie placées de part et d'autre de la fibre de mesure, de même structure que la fibre de mesure, dont les axes sont orientés à 45° des axes de ladite fibre de mesure, la fibre amorce et la fibre de sortie assurant respectivement la séparation et la recombinaison des modes de structures spatiales différentes d'une part et des modes de polarisation différentes d'autre part.
5. Dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un dérivateur à prisme assurant la recombinaison des modes de mesure à la sortie de la fibre sensible par une orientation à 45° de la fibre amorce du dérivateur.
6. Dispositif de mesure à distance à fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une source à spectre large et un interféromètre de relecture permettant de mesurer les déphasages générés mode à mode dans la fibre sensible.
7. Dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs couplages permettant la mesure des deux paramètres sur plusieurs segments, les couplages des modes étant assurés par une rotation locale des axes de symétrie de la fibre sensible.
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