FR2538195A1 - Methode et systeme de transmission optique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UNE METHODE ET UN SYSTEME DE TRANSMISSION OPTIQUE. UN PREMIER INTERFEROMETRE 12 RECOIT LA LUMIERE D'UNE SOURCE 11 ET FOURNIT UN SIGNAL LUMINEUX MODULE SUR UN TRAJET OPTIQUE 13, JUSQU'A UN SECOND INTERFEROMETRE 14 DEMODULANT LE SIGNAL LUMINEUX ET DONT LE SIGNAL DE SORTIE EST DETECTE PAR UN PHOTODETECTEUR 15. L'INVENTION EST NOTAMMENT APPLICABLE A LA TELEMESURE DE GRANDEURS TELLES QUE LA TEMPERATURE, LA PRESSION, DES CONTRAINTES DIVERSES SUSCEPTIBLES D'INTERVENIR DANS LE FONCTIONNEMENT D'UN INTERFEROMETRE ET D'EN MODULER LE SIGNAL DE SORTIE.

Description

La pressente invention concerne las systèmes de transmission optique ; eile est particulièrement appropriée à un usage en télémesure.

A l'apparition des fibres optiques et des sources et détecteurs de lumière à semi-conducteur, de nombreux nouveau: systèmes de transmis sion optique ont et developpés. Une approche courante consiste à utiliser des sources de lumière, par exemple ?a diode photo-emissive (LED selon la terminologie anglo-saxonne) ou le laser semi-conducteur, pouvant être directement modulées en intensité par un courant etectrique. Toufefois, les solutions adoptées jusqu'à maintenant laissent beaucoup à désirer en matière de simplicité des équipements, de fiabilité de leur ronctionnement, aussi bien cue dans la precision des résultats obtenus.

En consâquence, l'un des objets généraux de l'invention est de pallier les inconvenients des solutions de l'art antérieur.

Plus particulièrement, l'un des objets de la présente invention est de dâvelopper un système de transmission optique du type considére qui ne soufre pas des inconvénients des systèmes de transmission optique conventionnels.

Ln autre oDjet de la présenta invention est un tel système de transmission optique simple de construction, relativement peu onéreux à fabriquer, facile à utiliser et néanmoins fiable et précis dans son fonctionnement.

Dans la poursuite de ces objets et d'autres qui apparaîtront par la suite, une caractéristique de la présente invention réside dans un système de transmission optique comprenant une source de lumière, un premier interféromètre dans lequel la lumière de la source peut être modulée, le signal de sortie de ce premier interféromètre se propageant le long d'un trajet optique jusqu'à un second interféromètre dans lequel le signal optique reçu peut être démodulé, le signal de ce second interféromètre tâtant appliqué à des moyens de détection photo-électriques.

Les différents objets et caractéristiques de l'invention vont maintenant être détaillés dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif en se reportant aux figures annexées qui représentent :
- la figure 1, un diagramme illustrant un système de transmission optique utilisant le principe fondamental de l'invention
les flgures 2a et 2b, des diagrammes dtinterféromètres à deux trajets utilisables dans le système de la figure 1
- 'es figures Sa et 3b, des diagrammes illustrant des modes de réalisation de transducteurs de modulation pour application dans le système de la figure i
- les figures 4a et b, des representations des réponses de filtre en peigne des interféromètres
- les figures 5a et 5b, des représentations respectives de la fonction de cohérence et du signal de sortie de l'interferomètre récepteur lorsque la différence entre trajets de l'interféromètre émetteur est moclflee
- ia figure 6, une représentation graphique de l'intensité de sortie en fonction de la différence de trajets, qui est un agrandissement du pic de cohérence illustré par la figure 5b
- les figures 7 et 3, des diagrammes illustrant l'utilisation d'un écart d'alignement dans un interfâromètre récepteur pour moduler un signal reçu
- la figure 9, un diagramme illustrant l'utilisation d'un inter fâromètre à verrouillage de phase en télémesure
- les figures 10a et 10b, des diagrammes illustrant le fonction nement à distance d'un interféromètre modulateur
- la figure 11, un diagramme représentant un étalon de Pérot
Fabry utilisant une longueur de fibre optique à gradient d'indice
- la figure 12, un diagramme illustrant un système simple de transmission optique en espace libre à modulation de fréquence ; et
- les figures 13a et 13b, des diagrammes de deux modes de réalisation différents d'un détecteur de phase insensible à l'amplitude.

En se référant maintenant à la figure 1, le système de transmission optique illustré comprend une source de lumière 11, un premier interféromètre 12, dans lequel la lumière provenant de la source 11 peut être modulée, un trajet optique 13 le long duquel se propage le signal issu de l'interféròmètre 12, un second interféromètre 14, dans lequel peut être démodulée la lumière reçue du trajet 13 et un photodétecteur 15 auquel est appliqué le signal de sortie démodulé. La source de lumière 11 peut être du type non cohérent, telle qu'une lampe classique à filament incandescent ou une diode photo-émissive. Le système fonctionne aussi, bien entendu, avec une source 11 fournissant une lumière cohérente.Les interféromètres 12 et 14 peuvent être du type à deux trajets, c'est-àdire des interféromètres de Michelson, ou du type à trajets multiples, tel que l'étalon de Pérot-Fabry. Le trajet optique peut être en espace libre ou un trajet de propagation guidée, tel qu'une fibre optique.

La figure 2a illustre la modulation d'un faisceau de lumière dans un interféromâtre de Michelson. La lumière incidente est divisée entre deux trajets par un miroir séparateur 20 et réfléchie par deux miroirs 21 et 22 avant d'être recombinée pour former le faisceau de sortie. La modulation peut être effectuée par le mouvement de l'un des deux miroirs 21 et 22, par exemple par le mouvement du miroir 21. Il est également possible d'interposer des moyens non représentés, dans l'un ou l'autre des trajets, ayant la propriâté de modifier l'indice de réfraction et par conséquent la longueur effective du trajet.La figure 2b illustre la modulation d'un faisceau de lumière dans un interféromètre de Mach-Zehnder. Un moyen 23 est interposé dans un des deux trajets de la lumière pour changer l'indice de réfraction de manière à modifier la longueur du trajet.

La figure 3a illustre la structure fondamentale de l'étalon de
Péro-Fabry. La lumière incidente pénètre dans une cavité résonnante formée par deux miroirs partiellement réfléchissants 30 et 31. Une interférence se produit entre les miroirs 30 et 31 durant les réflexions multiples. Une partie de la lumière est transmise à l'extérieur à travers le miroir 31, tandis qu'une autre partie de la lumière est retournée vers la source, à travers le miroir 30. La modulation peut être réalisée en modifiant alternativement la longueur de la cavité résonnante, par exemple par le mouvement de l'un des miroirs 30 et 31. La figure 3b illustre comment un miroir 30 peut être monté sur un transducteur, par exemple un microphone à diaphragme. La lumière incidente est couplée à la cavité résonnante, et la lumière modulée en est extraite, par une fibre optique 33 et une lentille 34. La figure 3c représente comment un étalon de
Pérot-Fabry peut être interposé entre une source de lumière 35 et une fibre optique 36. La modulation est réalisée en altérant la distance des miroirs ou l'indice de réfraction du milieu entre deux miroirs fixes 30 et 31.

Lorsque de l'information vient agir sur la lumière en modulant la différence entre trajets optiques dans un interféromètre, l'effet produit est une modification du spectre de la lumière transmise.

La lumière issue de l'interféromètre 12 possède un spectre en peigne. Dans le cas d'un interféromètre 12 à deux trajets, les bandes transmises ont la même largeur que les bandes bloquées, comme illustré par la figure 4a ; pour un interféromètre 12 à trajets multiples, les bandes transmises sont plus étroites que les bandes bloquées, comme illustré par la figure 4b.

Le démodulateur est un second interféromètre 14 utilisé comme démodulateur de fréquence à retard. Bien que la source de lumière Il puisse être non-cohérente, l'interféromètre d'émission 12 lui a imprimé une certaine cohérence pout un temps correspondant à la différence de-s temps de propagation des deux trajets. La fonction de cohérence de la lumière transmise est représentée par la figure 5a.

La figure 5b représente le signal de sortie du second interféromètre lorsque les différences de trajets sont modifiées dans le premier ou le second interféromètre. Il existe des régions distinctes où une interférence peut être détectée, ces régions étant situées là où les différences de trajets des deux interféromètres 12 et 14 sont similaires. La différence entre les deux différences de trajets doit être contenue dans le temps de cohérence de la source de lumière originale si l'on veut observer une interférence. Ainsi, avec une lampe à incandescence, un petit nombre de franges seulement pourrait être observées, tandis qu'avec une diode photo-émissive leur nombre atteindrait plusieurs dizaines.

Utilisé en discriminateur, le second interféromètre 14 peut avoir une différence de trajets constante. Lorsque la différence de trajets de l'interféromètre de la source est modulée, le signal de sortie du second interféromètre 14 s'élève et retombe en conséquence, à la condition que la différence entre différences de trajets soit approximativement de A/4 + n (90"), comme illustré par la figure 6.

Ainsi, l'application de cette technique permet de superviser de très petites variations dans la différence de trajets du premier interféromètre 12, jusqu a un maximum d'approximativement A/4 (A étant la longueur d'onde de la fréquence centrale moyenne de la source), au-delà duquel la caractéristique du discriminateur se retourne et il y a ambiguité. Cette ambiguïté peut être levée grace-à l'emploi d'un autre interféromètre récepteur, dont la différence de trajets est plus grande ou plus petite de > /4 que celle du premier interféromètre récepteur 14.

Si les signaux de sortie de ces deux interféromètres sont détectés par des photo-détecteurs, signaux qui correspondent aux composantes en phase et en quadrature, l'ambiguité de direction et les problèmes d'évanouissement peuvent être levés. Une alternative simple consiste à désaligner légèrement l'un des miroirs 70 de l'interféromètre 14 et à placer deux photodétecteurs 71 et 72 dans la configuration de franges d'interférence qui en résulte.

Un étalon de Pérot-Fabry récepteur dont l'un des miroirs est légèrement basculé produit une configuzation de franges nettes qui se déplace transversalement pour de très petites variations de la longueur d'onde d'entrée ou de la longueur du trajet de l'interféromètre d'émission. Un changement dans la longueur du trajet de l'un åes ;ater- féromètre égal à X déplace le dessin de franges de l'intervalle entre franges.

Le mouvement des franges peut être détecté par un photodétecteur (par exemple en verrouillage de phase) ou deux ou plusieurs photodétecteurs (un réseau linéaire de photo-détecteurs fournirait une lecture de la position précise des franges).

Si l'on utilise la lumière visible, l'observation de la frange en lumière blanche par l'oeil humain peut être suffisante lorsque les variations à observer sont lentes (la température, par exemple). Cela fournit un système de-transmission entièrement optique, à la seule exception d'une source de lumière à alimentation électrique, encore que la lumière du jour pourrait être utilisée.

Il est encore possible utiliser plusieurs transducteurs, chacun en série avec un filtre coloré différent. L'information résultante peut être transmise par la même fibre et détectée séparément. Un seul interféromètre récepteur pourrait être utilisé, comme dans la figure 8, avec un miroir désaligné 30, dans lequel aux lignes de franges colorées différentes correspondraient les détecteurs respectifs. Cela correspond à un multiplexage en longueur d'onde il est également possible de multiplexer plusieurs canaux par multiplexage de longueur de cavité, en employant des interféromètres récepteurs ayant des différences de trajets différentes de celles don interféromètre de source donné et qui seront donc insensibles à ce dernier.

Le concept décrit précédemment rend possible la supervision de variations absolues dans la différence de trajets d'un interféromètre émetteur. il peut donc être appliqué dans la mesure à distance de contraintes, températures, pressions, etc. L'équipement peut également fonctionner en microphone, en modulant acoustiquement la différence des trajets. La limite, quant à la bande passante de transmission est a priori la fréquence à laquelle peut être modulée la différence de trajets. Elle peut être de plusieurs gigahertz. Elle est également limitée par la dispersion de modes et la dispersion dans la matière du milieu de transmissin, cette dernière étant la plus significative dans le cas de sources à large bande.

La réponse e amplitude est quelque peu non linéaire et est même sinusoïdale dans le cas de l'interféromètre à dau: < trajets. Elle peut être-modifiée par l'emploi d'interféromètres à trajets multiples qui nt pour effet d'introduire les harmoniques les plus élevées dans le dessin de franges-d'interfârence.

Une autre solution à ce problème de linéarité est d'exploiter le récepteur an ode à verrouillage e phase. Dans un tel arrangement, la sortie de l'interférortra récepteur 14 est comparée à une référence luxe, correspondant au décalage de phase moyen requis, et le signal d'erreur obtenu, après intégration, sert à ajuster l'interféromètre récepteur 1 de maniere qu'il conserve une relation de-phase cortecte.

Si- un tel système est comparé à large bande avec le signal de modulatison, la différence de trajets dans l'interféromètre récepteur 14 suivra celle de l'interféromètre d'émission 12. Le signal de sortie du récepteur peut etre obtenu à partir du signal d'erreur, si la commande de la différence de trajets est linéaire, par exemple dans le cas où la tension de commande est appliquée à un dispositif piézo-électrique.

La commande de la différence de trajets peut encore être semblable à celle qui est mise en oeuvre dans le détecteur. Cn en donnera un exemple spécifique dans le cas où le transducteur émetteur est un étalon de Pérot-Fabry illustré en 90 sur la figure 9, lequel est sensible à la température. L'information à transmettre est la température elle-même. L'interféromètre 91, dans le récepteur, est un étalon similaire, pourvu d'un élément chauffant 92 commandé par le signal d'erreur de phase dûment amplifié, fourni à la sortie de l'interféromètre récepteur. Ce système asservit le second étalon 91 au premier étalon 90 dont les températures sont identiques. Il est alors simple de mesurer. la température de'l'étalon récepteur 91. Une même solution peut être appliquée à d'autres grandeurs telles que contraintes et pressions. Si une information véritablement continue est nécessaire, la plage maximale correspond à la moitié d'une frange, pour éviter toute ambiguïté.

Dans un système de transmission de signaux alternatifs, ctest-à-dire un système n'ayant pas à transmettre des signaux continus, la technique du verrouillage de phase peut être utilisée pour stabiliser la sortie de l'interféromètre de manière qu'elle soit toujours au centre d'une frange, c'est-à-dire déphasée de 90 (ou + n /4, n = 1, 2...) comme indiqué en relation avec la figure 6. Dans un tel cas, il convient d'utiliser une bande passante de boucle étroite. Le signal de sortie est simplement celui de l'interféromètre 14 sous la forme d'une modulation d'intensité qui peutetre détectée au moyen d'un pnotodétecteur 15.Rien que le système décrit jusqu'à maintenant soit un système unilatéral, avec une source à une extrémité et un détecteur à l'autre, il est attractif dans de nombreuses applications d'alimenter la totalité du système à partir c une seule de ses extrémités. Comme le représente la figure 10, la source de lumière 100 peut être couplée au modulateur 101 par une seconde fibre optique 103 (figure 1Ob) ou injectée par un coupleur directionnel 104 (figure 10a). Dans cette dernière configura- tion, on peut trouver plus judicieux d'utiliser la lumière réfléchie par le premier interféromètre, plutôt Que la lumière transmise. Cela se traduit par une inversion complète du dessin d'interférence, mais l'ensemble du système décrit fonctionne de façon inchangée.Une telle configuration pourrait être très attractive pour les applications demandant un détecteur distant passif, telles que la surveillance à distance des températures ou de pression ou des microphones distants.

Il est possible qu'un étalon de Pérot-Fabry très simple puisse être fabriqué à partir d'une longueur de fibre optique à gradient d'indice correspondant à une seule période, comme représenté par la figure i-I. La longueur de fibre optique 110 a des extrémités 111 et 112 optiquement plates et perpendiculaires à l'axe longitudinal de la fibre 110. Les extrémités sont enduites d'un film partiellement réflecteur pour former la cavité résonnante.

La figure 12 fournit un autre exemple de liaison simple comprenant un modulateur à fréquence vocale sous la forme d'un étalon 120 sur laquel la lumière est concentrée par une lentille 121. La source de lumière peut être une lampe ou même la lumière jour. La lumière du modulateur se propage en espace libre 123 jusqu'à un deuxième étalon 124 dont le signal de sortie démodulé est concentré par une lentille 125 sur un photodétecteur 126 qui alimente un écouteur 128 par l'intermédiaire d'un amplificateur 127. L'utilisation de la modulation de fréquence permet d'obtenir une réduction de la sensibilité aux évanouissements, mais seulement si le récepteur n'est sensible qu'à la phase.Cela peut être obtenu soit en prévoyant une commande automatique de gain optique à réponse rapide agissant sur la lumière entrant dans l'interféromètre comme représenté par la figure 13a, ou en divisant le signal de sortie de l'interféromètre par une fraction de la lumière d'entrée, comme illustré par la figure 13b. Selon la première approche, une partie du signal optique d'entrée est fournie par un séparateur 130 à un photodétecteur 131. Le signal de sortie du photodétecteur 131 est comparé par un amplificateur 132 avec un signal de référence Vref pour commander un atténuateur optique à commande électrique 133 à travers lequel passe le reste du signal d'entrée en provenance du séparateur 130. L'atténuateur effectue la commande automatique du gain de la lumière atteignant l'interféromètre récepteur 134. Selon la seconde approche, une partie de la lumière d'entrée est également dirige par un séparateur 135 vers un photodétecteur 136, tandis que le reste de cette lumière va directement vers l'interféromètre 137. Le signal de sortie du photodétecteur 136 commande une entrée d'un comparateur 138 dont l'autre entrée est commandée par un photodétecteur 139 recevant le signal de sortie de l'interféromètre 137.

L'effet produit est de diviser le signal de sortie de l'interféromètre 137 par une fraction de la lumière entrée.

Il est bien évident que les descriptions qui précèdent n'ont été données qu a titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées, sans sortir pour autant du cadre de l'invention.

Claims (10)

BEtD-ICATi0NS

1. Système de transmission optique caractérisé par le fait qu'il comprend : une source de lumière (11) ; des moyens (12) pour moduler la lumière émanant de cette source, dans lesquels un premier lnter- féromètre fournit un signal optique modulé à un trajet optique (13) en vue d'une propagation dans ce trajet ; des moyens (14) pour démoduler lesdits signaux optiques modulés, dans lesquels un second interféromètre interposé dans ledit trajet optique reçoit ledit signal optique modulé se propageant par~ledit trajet et fournit un signal optique démodulé ainsi que des moyens (13) pour convertir ledit signal optique démodulé an un signal électrique, comprenant un photodéteceeur.

2. Système de transmission tel que défini en 1, caractérIsé par le fait que ledit premier interféromètre est un interféromètre à deux trajets de type Michelson comprenant un miroir (21) totalement réflecteur lesdits -moyens de modulation comprenant des moyens pour mouvoir ce miroir n accord avec la modulation à imposer à la lumière.

3. Système de transmission tel que défini en 1, caractérisé par le fait que ledit premier interféromètre est un interféromètre à deux trajets du type Mach-Zehnder comprenant un milieu de transmission optique modifiable (23) dans l'un des deux trajets, tandis que lesdits moyens de modulation incluent des moyens pour modifier l'indice de réfraction dudit milieu de transmission optique modifiable.

4. Système de transmission tel que défini en 1, caractérisé par le fait que ledit premier interféromètre est un interféromètre à trajets multiples du type étalon de Pérot-Fabry, comprenant deux miroirs (30,31) formant une cavité résonnante optique, tandis que lesdits moyens de modulation comprennentdesmoyens pour déplacer l'un des miroirs par rapport à l'autre.

Système de transmission tel que défini en 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des moyens pour former ledit trajet optique (13), en particulier une fibre optique.

6. Système de transmission tel que défini en 1, caractérisé par le fait que ladite source de lumière fonctionne à une fréquence central~ moyenne correspondant à une longueur d'onde et que lesdits moyens de modulation comprennent un troisième interféromètre recevant aussi ledit signal optique modulé provenant dudit trajet optique et ayant un trajet optique interne différant de X/4 par rapport à ceus du deuxième interféromètre (t4), pour fournir un signal optique démodulé additicnnel, lesdits moyens de converson comprenant également un photodétecteur adaitionnel (72) pour convertir en signal électrique ledit signal optique démodulé additionnel.

7. Système de transmission tal que défini en 1, caractérisé par le fait que ledit second interféromètre comprend deux miroirs désalignés dans un sens prédéterminé l'un (70) par rapport à l'autre et que lesdits moyens de conversion incorporent un photodétecteur additIonnel (72) espacé dudit photodétecteur dans ledit sens prédéterminé, dans un plan perpendiculaire à l'axe dudlt trajet optique.

8. Système de transmission tel que défini en 1, caractérisé par le fait que ladite source de lumière (11) est une source de lumière non cohérente.

9. Système de transmission tel que défini en 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens de modulation comprennent au moins un interféromètre additionnel pour fournir un signal optique modulé additionnel audit trajet optique, deux filtres colorés optiques de couleurs différentes au moins étant arrangés respectivement en série avec lesdits premier et second interféromètres.

10. Système de tra-asmission tel que défini en 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens de modulation comprennent des moyens pour moduler de manière acoustique le fonctionnement dudit premier interféromètre (1 2).

11. Système de transmis-sion tel que défini en-1, caractérisé par le fait qutil comprend également des moyens (138) pour comparer ledit signal électrique avec une valeur de référence fixe et pour engendrer un signal d'erreur représentant le résultat de cette comparaison, ainsi que des moyens pour ajuster ledit second interféromètre (14) en raison dudit signal d'erreur de manière à maintenir le fonctionnement de ce dernier en relation de phase constante avec celui du premier interféromètre.

12. Système de transmission tel que défini en 1, caractérisé par le fait que ladite source de lumière est située auprès dudit second interféromètre, des moyens additionnels (103,104) étant prévus pour transmettre la lumière de cette source audit premier interféromètre, lesquels comprennent une longueur de fibre optique (102,103).

13. Système de transmission tel que défini en 1, caractérisé par le fait qu'il comprend an outre des moyens séparateurs interposés (135) dans ledit trajet optique et arrangés pour extraire une partie de la lumière reçue de ce trajet et la diriger vers un trajet optique auxiliaire, ainsi qu un photodétecteur auxiliaire (136) situé sur ledit trajet optique auxiliaire et agencé pour convertir le signal optique se propageant sur le trajet optique auxiliaire en un signal électrique auxiliaire et enfin des moyens de commande automatique de gain agissant sur ledit signal électrique auxiliaire produit par ledit photodétecteur auxiliaire.

14. Méthode de transmission d'information par le moyen de signaux optiques comprenant les étapes consistant à illuminer un premier interféromètre par une lumière, moduler le premier interféromètre par un signal d'information de sorte que le signal de sortie de l'interféromètre soit modulé, recevoir ce signal de sortie dans un second interféromètre de manière à obtenir un signal électrique de sortie correspondant à ladite information.