FR2651316A1 - Appareil pour detecter une difference de phase entre des premier et second signaux optiques et procede de detection. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système passif de détection de phases en quadrature. Il comporte des premiers et seconds détecteurs optiques (882, 884; 892, 894) disposés de façon à recevoir un signal de sortie (852) de l'extrémité de sortie (846) d'un appareil à signaux optiques tel qu'un interféromètre (800) ou analogue. Le signal (852) comprend de la lumière se propageant en deux modes à partir de l'extrémité (846) de sortie, un déphasage de pi/2 se produisant entre les deux modes conformément à l'effet Guoy. Domaine d'application: Système cohérent à fibres optiques destiné notamment à des interféromètres, des réseaux de transmission de données, etc.
Description
L'invention a trait au domaine des systèmes cohérents à fibres optiques
qui détectent la différence de phase entre deux ondes lumineuses en interférence dans des applications à la détection et dans des applications aux télécommunications. Dans des systèmes cohérents à fibres optiques
pour des applications de détection et de télécommunica-
tions, il existe un problème bien connu d'affaiblissement du signal qui résulte d'une faible sensibilité et d'une instabilité. En bref, de tels systèmes fonctionnent en détectant l'intensité d'un signal optique de sortie produit par l'interférence de deux ondes optiques se déplaçant dans deux trajets de propagation optique. Par exemple, dans des capteurs de rotation comprenant une boucle de fibre optique, deux signaux optiques se propageant en sens contraire sont combinés de manière qu'ils interfèrent et produisent un signal optique de sortie ayant une intensité qui varie en fonction de la vitesse de rotation de la boucle. L'intensité du signal optique combiné de sortie dépend de la différence de phase relative entre les deux ondes optiques. La différence de phase optique est un résultat d'une polarisation de phase provoquée, par exemple, par le paramètre à capter (par exemple une rotation) dans une application à la détection, ou par une
information de signal dans une application aux télécom--
munications. La différence de phase optique est en outre sensible à des paramètres d'environnement qui introduisent des différences de phase supplémentaires. Ce problème est particulièrement aigu lorsque la différence de phase entre les deux ondes en interférence est très proche d'un multiple entier de r (c'est-à-dire Nr, o N est 0, 1, 2, 3, etc.). On a conçu plusieurs approches pour résoudre le problème décrit ci-dessus d'affaiblissement du signal. Par exemple, D.A. Jackson et collaborateurs, dans "Elimination of drift in a single-mode optical fiber interferometer using a piezoelectrically streched coiled fiber", Applied
optics, Vol. 19, n 17, ler septembre 1980, pages 2926-
2929, décrivent une fibre enroulée étirée de façon piézoélectrique, servocommandée, destinée à maintenir un interféromètre à fibre optique monomode en quadrature pour stabiliser activement la polarisation de phase. James H. Cole et collaborateurs, dans "Synthetic-Heterodyne Interferometric Demodulation", IEEE Journal of Ouantum Electronics, Vol. QE-18, n 4, avril 1982, pages 694-697,
et B.Y. Kim et collaborateurs, dans "Phase-reading, all-
fiber-optic gyroscope", Optics Letters, Vol. 9, n 8, août 1984, pages 378-380, décrivent des systèmes qui utilisent
une détection cohérente pour résoudre le problème d'af-
faiblissement du signal. Th. Niemeier et collaborateurs, dans "Quadrature outputs from fiber interferometer with 4x4 coupler", Optics Letters, Vol. 11, n 10, octobre 1986, pages 677-679; Sang K. Sheem, dans "Fiber-optic gyroscope with [3x3] directional coupler", Applied Physics Letters, Vol. 37, n 10, 15 novembre 1980, pages 869-871; et David
W. Stowe et collaborateurs, dans "Demodulation of Inter-
ferometric Sensors Using a Fiber-Optic Passive Quadrature Demodulator", Journal of Lichtwave Technolo y, Vol. LT-1, n 3, septembre 1983, pages 519-523, décrivent des dispositifs passifs qui produisent une information à phases en quadrature sur les signaux optiques de sortie. Par exemple, dans l'article de Stowe et collaborateurs, deux interféromètres sont construits de manière que lorsqu'un interféromètre fonctionne à sa sensibilité minimale, l'autre interféromètre fonctionne à sa sensibilité maximale. La présente invention propose une approche nouvelle pour la génération de signaux qui présentent une information de phases en quadrature afin d'éliminer le
problème d'affaiblissement du signal.
Une fibre optique à géométrie de coeur hautement elliptique est mise en oeuvre en tant que fibre optique à deux modes ou bimode qui supporte seulement le
mode LPo1 symétrique fondamental et le mode LPll an-
tisymétrique de second ordre avec une distribution d'intensité modale en section transversale stable. Lorsque les deux modes se propagent le long de la fibre, un décalage de phase différentiel s'accumule entre les deux modes du fait de la différence entre leurs constantes de propagation. Lorsque les deux modes LPo1 et LPll sont excités avec une intensité approximativement égale, le diagramme de rayonnement de sortie de la fibre optique bimode varie en fonction de la différence de phase entre les deux modes. La détection de la moitié supérieure du diagramme de rayonnement ou de la moitié inférieure du diagramme de rayonnement donne un signal d'interférence intermodale à partir duquel le déphasage différentiel entre les ondes optiques dans les modes LPo1 et LPll peut être déterminé. En variante et de préférence, les deux moitiés sont détectées de façon différentielle pour que l'on obtienne le signal d'interférence intermodale. Deux signaux d'interférence sont détectés. L'un des signaux détectés correspond au diagramme de rayonnement en champ proche émis depuis la face extrême de la fibre optique bimode et
l'autre signal détecté correspond au diagramme de rayon-
nement en champ lointain. Conformément à un phénomène peu connu appelé "effet Guoy", un déphasage différentiel de ir/2 est introduit entre la lumière correspondant au diagramme en champ proche et la lumière correspondant au diagramme en champ lointain. Par conséquent, les deux signaux détectés sont en quadrature afin que, lorsqu'un signal détecté a une sensibilité minimale au déphasage différentiel à mesurer, l'autre signal détecté ait une sensibilité maximale, et vice versa. Les deux signaux en quadrature de phase, qui sont proportionnels au sinus du
déphasage différentiel et au cosinus du déphasage différen-
tiel, respectivement, sont traités par l'utilisation de techniques classiques pour produire un signal sans affaiblissement, indépendamment de la valeur de toute polarisation de phase introduite par l'environnement, etc. L'invention peut être avantageusement utilisée dans des interféromètres. Elle peut en outre être utilisée pour éliminer l'affaiblissement du signal dans un système de communications homodyne cohérent avec un oscillateur local fonctionnant à la même fréquence que le signal arrivant dans une fibre monomode. Dans le système de communications, la lumière provenant de l'oscillateur local est couplée au mode LP01 d'une fibre optique bimode et une excitation indésirée du mode LP1l est éliminée par un suppresseur de mode. Le signal arrivant est couplé au mode LPll de la fibre optique bimode à travers un coupleur directif sélectif de mode, ce qui a pour résultat un interféromètre intermodal dans la fibre optique bimode. On détecte le signal de sortie de la fibre optique bimode en
utilisant le système de détection de la présente invention.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une coupe transversale d'un exemple de fibre optique à coeur circulaire; les figures 2a et 2b illustrent les diagrammes de distribution de champs électriques pour les modes de propagation verticalement polarisé et horizontalement polarisé HEl1 (fondamental) de la fibre optique à coeur circulaire de la figure 1; la figure 2c est un graphique de la distribution d'amplitude du champ électrique correspondant aux diagrammes de distribution de champ des figures 2a et 2b; les figures 2d, 2e, 2f et 2g illustrent le diagramme de distribution de champ électrique pour les modes de propagation TE01, TM01, HE21 pair et HE21 impair (second ordre), respectivement, de la fibre optique à coeur circulaire de la figure 1; la figure 2h est un graphique des diagrammes de distribution d'amplitude de champ électrique pour les modes de second ordre de la fibre optique de la figure 1;
les figures 3a et 3b illustrent les approxima-
tions LP01 pour les modes de propagation de premier ordre de la fibre optique de la figure 1; les figures 3c, 3d, 3e et 3f illustrent les approximations LP11 pour les modes de propagation de second ordre de la fibre optique de la figure 1; la figure 4 est un graphique non à l'échelle de la constante de propagation d'un guide d'onde optique en fonction de l'ellipticité du coeur du guide d'onde optique; la figure 5 est une coupe transversale d'un
exemple de coeur elliptique; -
les figures 6a et 6b illustrent les diagrammes de champ électrique pour le mode de propagation LP01 (fondamental) de la fibre optique à coeur elliptique de la figure 5;
la figure 6c est un graphique de la distribu-
tion d'amplitude du champ électrique pour le mode de propagation LP01 de la fibre optique à coeur elliptique de
la figure 5; -
les figures 6d et 6e illustrent les diagrammes de champ électrique pour les modes de propagation LP11 pairs de la fibre optique à coeur elliptique de la figure ; la figure 6f est un graphique de la distribu- tion d'amplitude du champ électrique pour les modes de propagation LP11 pairs de la fibre optique à coeur elliptique de la figure 5; les figures 6g et 6h illustrent les diagrammes de champ électrique pour les modes de propagation LPll impairs de la fibre optique à coeur elliptique de la figure 5; la figure 7 illustre un exemple de fibre optique bimode dans laquelle de la lumière est introduite pour se propager dans les modes de propagation LP01 et LPll; la figure 8 illustre un tronçon de la fibre optique bimode de la figure 7; les figures 9a-9i sont des coupes transversales des diagrammes d'intensité de champ électrique suivant les lignes 9a-9a à 9i-9i de la figure 8;
la figure 10 illustre un exemple d'inter-
féromètre qui utilise les modes de propagation LP01 et LPIl pour les deux trajets de propagation de l'interféromètre; la figure 11 illustre l'intensité de sortie de l'interféromètre de la figure 10, due à l'interférence entre la lumière dans le mode LP01 et la lumière dans le mode LPll, montrant les problèmes d'affaiblissement du signal à des différences de phase proches de 0 et multiples de Nr, et montrant en outre l'effet de la polarisation de phase pour réduire les problèmes d'affaiblissement du signal; les figures 12 et 13 illustrent deux signaux qui sont en quadrature de phase l'un par rapport à l'autre afin qu'un signal soit déphasé de r/2 par rapport à l'autre signal; les figures 14 et 14a illustrent les diagrammes d'interférence modale d'une fibre optique bimode à coeur hautement elliptique en champ proche et en champ lointain, montrant le déphasage relatif entre les deux champs;
la figure 15 illustre les principes fondamen-
taux du détecteur passif de phases en quadrature de la présente invention, dans lequel les diagrammes d'intensité de sortie sont affichés sur des écrans disposés en des emplacements o les diagrammes d'intensité correspondent aux diagrammes d'intensité en champ proche et en champ lointain; la figure 16 illustre le détecteur passif de phases en quadrature de la figure 15, des détecteurs étant placés dans le champ proche et dans le champ lointain du
signal optique de sortie pour générer des signaux électri-
ques de sortie sensibles aux intensités de la lumière dans le champ proche et dans le champ lointain; la figure 17 illustre les signaux électriques de sortie produits par les amplificateurs différentiels connectés aux détecteurs de la figure 16; la figure 18 illustre le détecteur de phases en quadrature de la présente invention, incorporé dans un interféromètre Mach-Zehnder; la figure 19 illustre le détecteur de phases en quadrature de la présente invention, incorporé dans un
système homodyne de récepteur de communications. -
La présente invention utilise un guide d'onde optique qui fonctionne à une longueur d'onde au-dessous de la coupure afin que le guide d'onde supporte des modes guidés à la fois fondamental et de second ordre. Les modes guidés fondamental et de second ordre établissent deux trajets orthogonaux dans le guide d'onde optique, ce qui permet au dispositif d'être utilisé comme milieu de
propagation optique à deux voies. Les formes de réalisation-
de l'invention utilisent un guide d'onde optique ayant la géométrie de coeur choisie de manière que seul le mode fondamental et une orientation spatiale stable du second
ordre soient supportés dans le guide d'onde.
Avant de décrire les formes particulières de
réalisation de l'invention, on présentera une description
détaillée du guide d'onde optique et un bref résumé de la
théorie des modes applicable pour permettre une compréhen-
sion plus complète de l'invention. Bien que décrits ci-
dessous en liaison avec un guide d'onde à fibre optique en verre de silice, les concepts présentés sont également applicables, comme l'homme de l'art le comprendra, à d'autres guides d'onde optique, tels qu'une fibre optique
LiNbO3, une optique intégrée, ou analogue.
Théorie des modes Un exemple de coupe transversale d'une fibre optique 100 en verre de silice est illustré sur la figure 1. La fibre 100 comprend un coeur intérieur 102 et une gaine extérieure 104. Le coeur intérieur 102 a un rayon r. Dans la fibre 100 donnée à titre d'exemple, le coeur a un indice de réfraction nc0 et la gaine a un indice de réfraction ncl. Ainsi qu'il est bien connu dans la technique, l'indice de réfraction nc0 du coeur est supérieur à l'indice ncî de la gaine afin qu'un signal optique se propageant dans la fibre optique 100 soit bien guidé. Le nombre des modes guidés par la fibre optique 100 dépend de la géométrie de la fibre et de la longueur d'onde du signal optique s'y propageant. Habituellement, la longueur d'onde au-dessus de laquelle la fibre optique ne propage que le mode fondamental ou mode de premier ordre est appelée la longueur d'onde Xc de "coupure de mode de second ordre", qui peut être calculée pour une fibre à coeur circulaire en utilisant l'équation suivante: 27rr/nn2 -n2 - c= (1) 2,405 Si la longueur d'onde du signal optique est plus grande que la longueur Xc (c'est-à-dire si la fréquence du signal optique est inférieure à une fréquence de coupure), seul le mode de propagation de premier ordre ou fondamental du signal optique est bien guidé par la fibre et est propagé par la fibre. Si la longueur d'onde du signal optique est inférieure à Àc (c'est-à-dire si la fréquence du signal optique est supérieure à la fréquence de coupure), des modes d'ordre plus élevé, tels que les
modes de second ordre, commencent à se propager.
Les modes véritables des premier et second ordres d'une fibre optique à coeur circulaire et leurs distributions respectives d'amplitude de champ électrique sont illustrés sur les figures 2a à 2h. Les deux modes de premier ordre sont le mode HEll polarisé verticalement, représenté par un diagramme 110 de champ électrique sur la figure 2a, et le mode HE11 polarisé horizontalement, représenté par un diagramme de champ électrique 112 sur la figure 2b. Le cercle extérieur sur chaque figure représente
la limite du coeur 102 de la fibre 100 de la figure 1.
Comme illustré sur la figure 2c, les modes LP01 ont une distribution 116 d'amplitude du champ électrique qui est sensiblement symétrique autour de l'axe central du coeur 102. La distribution 116 d'amplitude du champ électrique est concentrée au centre du coeur 102 et décroît avec l'accroissement de la distance à partir du centre du coeur 102. Une petite partie de la distribution 116 d'amplitude du champ électrique s'étend souvent au-delà des
limites du coeur. Ce champ électrique étendu est communé-
ment appelé le champ évanescent des modes guidés.
Les quatre modes véritables de second ordre sont illustrés sur les figures 2d à 2g. Ces quatre modes véritables sont distingués par l'orientation du champ électrique transversal, désignée par les directions des
flèches sur les figures 2d à 2g, et ils sont communément-
appelés le mode TE01, représenté par un diagramme de champ électrique 120 sur la figure 2d; le mode TM0O, représenté par un diagramme de champ électrique 122 sur la figure 2e; le mode pair HE21, représenté par un diagramme de champ électrique 124 sur la figure 2f; et le mode impair HE21, représenté par un diagramme de champ électrique 126 sur la
figure 2g.
Une distribution 130 d'amplitude du champ électrique pour un exemple de signal optique se propageant dans les modes de second ordre est illustrée sur la figure 2h. Comme illustré, la distribution 130 d'amplitude du champ électrique est sensiblement égale à 0 à l'axe central du coeur, et présente deux amplitudes maximales 132 et 134 à proximité de la limite du coeur. Comme illustré encore, les deux maximas 132 et 134 d'amplitude sont déphasés de . En outre, une plus grande partie de la distribution du champ électrique s'étend au-delà de la limite du coeur dans les modes de second ordre, ce qui donne un champ
évanescent plus grand que pour les modes HEll.
Chacun des quatre modes véritables de second ordre possède une vitesse de propagation légèrement différente de celle des autres de ces modes de second ordre. Ainsi, lorsqu'un ou plusieurs des modes véritables de second ordre se propagent dans le même sens dans une fibre bimode, la distribution d'intensité du mode de second ordre varie en fonction de la longueur de la fibre du fait de changements affectant les différences de phase entre les quatre modes pendant qu'ils se propagent. La distribution d'intensité en section transversale du mode de second ordre change en réponse à des variations d'environnement qui induisent des déphasages différentiels entre les quatre
modes presque dégénérés.
Pour analyser plus aisément les caractéristi-
ques de signaux optiques se propageant dans les modes de
propagation de second ordre, on analyse les caractéristi--
ques des modes en utilisant les approximations LP pour les modes définis et décrits en détail dans "Weakly Guiding Fibers", de D. Gloge, Applied Optics, Vol. 10, ne 10,
octobre 1971, pages 2252-2258.
Une meilleure compréhension de la théorie des modes de propagation optique dans une fibre optique ou un autre guide d'onde à coeur circulaire peut être obtenue en se référant aux figures 3a à 3f, sur lesquelles les premier
et second modes sont représentés conformément aux ap-
proximations LP décrites par Gloge dans son article. Les
cercles extérieurs de chacune des illustrations représen-
tent comme précédemment la section transversale du coeur 102 de la fibre optique 100 de la figure 1. Les contours à l'intérieur des cercles des coeurs représentent les distributions de champ électrique. Les flèches accompagnant les contours intérieurs représentent la direction de la polarisation. Les figures 3a et 3b montrent les diagrammes de
champ des deux modes de polarisation dans le jeu fondamen-
tal LP01 de modes. Un diagramme de champ 140 sur la figure 3a représente une lumière polarisée verticalement dans le mode fondamental LP01, et un diagramme de champ 142 sur la figure 3b représente une lumière polarisée horizontalement
dans le mode LP01.
Les figures 3c à 3f illustrent les approxima-
tions LP1l pour les modes de second ordre. Comme illustré sur les figures 3c à 3f, il y a quatre modes LPll ayant
chacun deux lobes pour la distribution de champ électrique.
Deux des modes, représentés par un diagramme 150 de mode LP1l sur la figure 3c et un diagramme 152 de mode LP1l sur la figure 3d, sont appelés ici les modes LP1l pairs. Les deux autres modes LP11, représentés par un diagramme 154 de mode LP1l sur la figure 3e et un diagramme 156 de mode LPl sur la figure 3f, sont appelés les modes LP1l impairs. Les
quatre modes LP1l sont distingués par l'orientation des-
diagrammes des lobes et l'orientation des vecteurs champ électrique (c'est-à-dire les vecteurs polarisation) à l'intérieur des diagrammes des lobes. Par exemple, le premier diagramme 150 de champ de mode LPll pair (figure 3c) comporte deux lobes qui sont disposés symétriquement par rapport à un axe horizontal 160 de champ électrique nul. A l'intérieur des deux lobes, les vecteurs champ électrique sont parallèles à et antisymétriques par rapport à l'axe 160 de champ électrique nul. Pour des raisons de commodité, le mode LP1l représenté par le diagramme 150 de lobe sera appelé le mode LP1l pair
polarisé horizontalement.
Le second diagramme 152 de lobe LP11 pair (figure 3d) est disposé symétriquement par rapport à un axe horizontal 142 de champ électrique nul. A l'intérieur des deux lobes du diagramme 152 de champ, les vecteurs champ électrique sont perpendiculaires à et antisymétriques par rapport à l'axe 162 de champ électrique nul. Le mode LPll représenté par le diagramme 152 de champ électrique sera
appelé le mode LPll pair polarisé verticalement.
Le premier diagramme 154 de champ de mode LPll
impair comporte deux lobes qui sont disposés symétrique-
ment par rapport à un axe 164 orienté verticalement de champ électrique nul. A l'intérieur des deux lobes, le
vecteur champ électrique est perpendiculaire à et an-
tisymétrique par rapport à l'axe 164 de champ électrique nul, et il est donc orienté horizontalement. Le mode-LPll représenté par le diagramme 154 de champ sera donc appelé
le mode LPll impair polarisé horizontalement.
Le diagramme 156 de champ électrique du second mode LPll impair comporte deux lobes qui sont disposés symétriquement autour d'un axe 166 de champ électrique nul, orienté verticalement. A l'intérieur des deux lobes, les vecteurs champ électrique sont parallèles à et antisymétriques par rapport à l'axe 166 de champ électrique nul. Par conséquent, le mode LPll représenté par le diagramme 156 de champ sera appelé le mode LPll impair
polarisé verticalement.
Dans les approximations de mode LP, chacun des six diagrammes de champ électrique des figures 3a à 3f, à savoir les deux diagrammes LP01 et les quatre diagrammes LPll, est orthogonal aux autres. En d'autres termes, en l'absence de perturbations affectant le guide d'onde optique, il n'y a pratiquement aucun couplage de l'énergie
optique de l'un des diagrammes de champ vers l'un quelcon-
que des autres diagrammes de champ. Par conséquent, les six diagrammes de champ électrique peuvent être considérés comme des trajets optiques indépendants dans le guide
d'onde optique, lesquels trajets ne présentent habituelle-
ment pas de couplage entre eux.
Si les indices du coeur 102 et de la gaine 104 de la fibre optique 100 sont approximativement égaux, les deux modes LP01 parcourent la fibre approximativement à la même vitesse de propagation, et les quatre modes LPll de second ordre parcourent la fibre approximativement à la même vitesse de propagation. Cependant, la vitesse de propagation pour le jeu de modes fondamental LP01 est inférieure à la vitesse de propagation pour le jeu de modes LPll de second ordre. Par conséquent, les deux jeux de modes, LP01 et LPll, se mettent alternativement en phase et hors de phase l'un par rapport à l'autre pendant que la
lumière se propage dans la fibre. La distance de propaga-
tion demandée pour que les deux jeux de modes soient déphasés de 360 (c'est-à-dire 2r radians) est communément appelée la longueur de battement de la fibre, laquelle peut être exprimée mathématiquement sous la forme: X 227r
LB= = (2)
An Af o LB est la longueur de battement, À est la longueur d'onde optique dans le vide, Z n est la différence des indices de réfraction effectifs des deux jeux de modes, et A& est la différence entre les constantes de propagation
pour les deux jeux de modes.
Il a été montré précédemment qu'un transfert de puissance cohérent entre les deux jeux de modes, LP01 et LPll, peut être obtenu par la production de perturbations périodiques dans la fibre optique, lesquelles perturbations concordent avec la longueur de battement des deux modes. Un certain nombre de dispositifs optiques ont été réalisés pour commander le couplage de l'énergie optique entre les deux modes afin de produire des dispositifs pouvant être utilisés pour sélectivement coupler, filtrer et décaler en fréquence un signal optique. On peut se référer, par exemple, à W.V. Sorin et collaborateurs, dans "Highly selective evanescent modal filter for two-mode optical fibers", Optics Letters, Vol. 11, n 9, septembre 1986, pages 581-583; R.C. Youngquist et collaborateurs, dans "All-fibre components using periodic coupling", IEEE ProceedinGs, Vol. 132, Pt. J, n 5, octobre 1985, pages 277-286; R.C. Youngquist et collaborateurs, dans "Two-mode fiber modal coupler", Optics Letters, Vol. 9, n 5, mai 1984, pages 177-179; J.N. Blake et collaborateurs, dans "Fiber-optic modal coupler using periodic microbending", Optics Letters, Vol. 11, n 3, mars 1986, pages 177-179; B.Y. Kim et collaborateurs, dans "All-fiber acousto-optic frequency shifter", Optics Letters, Vol. 11, n 6, juin 1986, pages 389-391; et J.N. Blake et collaborateurs, dans "Allfiber acousto-optic frequency shifter using two-mode fiber", Proceedings of the SPIE, Vol. 719, 1986. La présente invention apporte un perfectionnement important à un grand nombre de ces dispositifs et propose un certain nombre de dispositifs nouveaux qui utilisent un couplage
entre les modes pour mieux maîtriser un signal optique.
Bien que les quatres modes LPl1 établissent
quatre voies orthogonales pour la propagation de l'énergie-
optique dans une fibre optique ou un autre guide d'onde, il s'est avéré souvent difficile d'utiliser pleinement les
quatre voies de façon indépendante. Comme indiqué précédem-
ment, les modes LP1l sont des approximations de modes réels et sont proches de la dégénération dans une fibre 100 à coeur circulaire. Ceci rend les modes LP1l très sensibles aux couplages provoqués par des perturbations dans la fibre optique, telles qu'une courbure, une torsion et une contrainte latérale. En outre, étant donné que les modes LP1l sont seulement une approximation des modes réels, il existe un léger degré de couplage même en l'absence de perturbations de la fibre 100. Le résultat net est que la propagation d'un diagramme de champ électrique en mode LPll dans un mode donné n'est pas stable. De la même manière, les diagrammes de champ électrique des deux modes de
polarisation LP01 sont instables.
Il a été montré précédemment que l'utilisation d'un coeur à section transversale elliptique dans une fibre optique ou un autre guide d'onde peut introduire une biréfringence et séparer les constantes de propagation pour les deux polarisations des modes LP01 de premier ordre. La séparation des constantes de propagation bloque la polarisation du signal sur un axe principal de la section transversale du coeur. Il a également été montré qu'un coeur elliptique augmente aussi la séparation entre les constantes de propagation des diagrammes de mode LPll. Ceci tend à renforcer la stabilité modale. Ceci est illustré sur la figure 4 qui est une représentation non à l'échelle de la constante de propagation / en fonction de l'ellipticité du coeur d'un guide d'onde optique. Comme illustré, le mode de propagation LP01 possède une constante de propagation supérieure à celle du mode de propagation LP1l. D'après l'équation (2), cette différence entre les constantes de propagation est liée à la longueur de battement LB entre
les modes de propagation LP01 et LP1l, de la manière-
suivante: 2r
AL01 = (3) L ieoi (3) LB01 o a301 est la différence de constantes de propagation
entre le mode LP01 et le mode LPll, et LB01 est la longueur
de battement entre les modes LP01 et LPll.
Comme illustré sur la partie de gauche de la figure 4, lorsque le coeur du guide d'onde optique est sensiblement circulaire, les modes LPll impairs et pairs
ont sensiblement la même constante de propagation.
Cependant, lorsque le coeur du guide d'onde optique est elliptique, les constantes de propagation des modes impairs et pairs LPl, sont différentes. Ceci est illustré par la différence de constantes de propagation L11 dans la moitié de droite de la figure 4. Comme illustré, la différence de constantes de propagation entre les modes LP1l impairs et pairs (A^l!) augmente avec l'ellipticité. L'utilisation d'une fibre optique à coeur elliptique a été suggérée en
tant que moyen pour éviter la dégénérescence des orienta-
tions de lobes orthogonaux des modes LP11. Voir, par exemple, J.N. Blake et collaborateurs, dans "All-fiber acousto-optic frequency shifter using two-mode fiber",
Proceedings of the SPIE, Vol. 719, 1986.
Les différences précédentes de constantes de propagation entre le mode LP01 et les modes LP1l impairs et pairs lorsque le coeur de la fibre optique est elliptique, ont également pour résultat un changement de la longueur d'onde de coupure et de la fréquence correspondante de coupure. Par exemple, pour une fibre optique à coeur
circulaire, la longueur d'onde de coupure est liée au rayon-
du coeur de la fibre, comme indiqué dans l'équation (1) ci-
dessus. Par conséquent, des signaux optiques ayant des longueurs d'onde supérieures à la longueur d'onde > c de
coupure en mode de second ordre (c'est-à-dire des fréquen-
ces inférieures à la fréquence de coupure en mode de second ordre) ne se propagent pas dans les modes de second ordre ou d'ordre plus élevé dans la fibre optique. Les signaux optiques ayant des longueurs d'onde inférieures à la longueur Àc de coupure se propagent dans les modes de second ordre. Si la longueur d'onde de la fibre est encore réduite à une longueur d'onde Àc2, des modes de troisième ordre et d'ordre plus élevé sont supportés par le guide d'onde optique. Pour un guide d'onde optique à coeur circulaire, >c2 peut être trouvé par l'équation suivante: 2 rn0- 2 _2rrn -n2 c2 co cl (4) 3,832
o r, nco et ncl sont tels qu'indiqués par l'équation (1).
L'homme de l'art comprendra que ce qui précède peut
également être représenté par des fréquences de coupure.
Par exemple, la première longueur d'onde de coupure Xc correspond à une première fréquence de coupure fc, et la seconde longueur d'onde de coupure Xc2 correspond à une seconde fréquence de coupure fc2 qui est supérieure à la première fréquence de coupure fc- En particulier, pour le guide d'onde optique à coeur circulaire, si la première fréquence de coupure fc est normalisée à 2,405, la seconde fréquence de coupure fc2 sera normalisée à 3,832. En d'autres termes, la seconde fréquence de coupure est 1,59 fois supérieure à la première fréquence de coupure (par exemple, fc2/fc = 3,832/2,405 = 1,59). Ainsi, un signal optique ayant une fréquence normalisée inférieure à 2,405 se propagera dans le guide d'onde optique seulement dans les modes LP01. Un signal optique ayant une fréquence normalisée dans la gamme de 2,405 à 3,832 se propagera aussi dans le mode LP1l de second ordre. Un signal optique ayant une fréquence normalisée supérieure à 3,832 se
propagera dans des modes d'ordre plus élevé.
Les relations précédentes s'appliquent aussi lorsque le coeur du guide d'onde optique est elliptique ou présente une certaine autre géométrie non circulaire. Par exemple, Allan W. Snyder et Xue-Heng Zheng, dans "Optical Fibers of Arbitrary Cross-Sections", Journal of the Optical
Society of America A, Vol. 3, no 5, mai 1986, pages 600-
609, indiquent les facteurs de normalisation pour un certain nombre de sections transversales différentes des guides d'onde. Par exemple, un guide d'onde à coeur elliptique, ayant un grand axe qui est double de la longueur du petit axe, aura une fréquence normalisée de coupure fc de 1, 889 lorsque le petit axe a la même longueur que le diamètre d'une fibre optique correspondante à coeur circulaire, réalisée dans la même matière. En d'autres termes, au-dessous de la fréquence normalisée de 1,889,
seuls les modes LP01 de premier ordre se propagent.
Similairement, Snyder et Zheng suggèrent que le mode LPIl pair aura une fréquence normalisée de coupure de 2,505, et que le mode LPl1 impair aura une fréquence normalisée de
coupure de 3,426.
Snyder et Zheng généralisent le concept précédent pour un guide d'onde optique à coeur elliptique avec divers rapports de la longueur du petit axe à la longueur du grand axe, de la manière suivante: fc = 1,700 (l+ (b/a)2)1/2 (5a) fc2pair = 1,916 (1+3(b/a)2)1/2 (5b) fc2impair = 1,916 (3+ (b/a)2)1/2 (5c) o fc est la fréquence de coupure normalisée pour le mode LP01, au-dessous de laquelle l'énergie optique ne se propage que dans le mode LP01 dans la fibre optique à coeur elliptique; fc2pair est la fréquence de coupure normalisée pour que l'énergie optique se propage dans le mode LP1l pair, au-dessous de laquelle l'énergie optique se propage uniquement dans le mode LP1l pair, mais non dans le mode LPll impair; et fc2impair est la fréquence normalisée de coupure pour le mode LPl1 impair, au-dessous de laquelle l'énergie optique se propage dans le mode LP1l impair ainsi
que dans le mode LP1l pair, mais non dans l'un quelconque-
des modes d'ordre plus élevé; b est la moitié de la longueur du petit axe du coeur elliptique; et a est la moitié de la longueur du grand axe du coeur elliptique. Les équations (5a), (5b) et (5c) peuvent être évaluées pour une fibre & coeur elliptique ayant une longueur 2a de grand axe double de la longueur 2b du petit axe pour obtenir les fréquences normalisées de 1,889, 2,505 et 3,426, indiquées précédemment. Les équations (5a), (5b) et (5c) peuvent encore être évaluées pour b = a (c'est-à-dire pour un coeur circulaire) afin que l'on obtienne la fréquence de coupure LPo1 de 2,405 et la fréquence de coupure LP1l de 3, 832 pour
les deux modes impair et pair, comme indiqué précédemment.
Les propriétés précédentes du guide d'onde optique à coeur elliptique sont avantageusement utilisées
dans la présente invention pour améliorer les caractéristi-
ques de fonctionnement du guide d'onde optique en éliminant le mode de propagation LPll impair et pour établir donc une seule orientation spatiale pour le diagramme de champ électrique du mode de second ordre. Ceci est illustré sur
les figures 5 et 6a à 6g.
La figure 5 illustre un exemple de fibre optique 200 comportant un coeur elliptique 202 entouré d'une gaine 204. Les dimensions du coeur elliptique 202 sont choisies de manière que les longueurs d'onde et les fréquences de coupure pour les deux diagrammes de lobes
orthogonaux du mode de second ordre soient bien séparées.
Un signal optique est appliqué à la fibre 200, lequel signal est compris dans une bande de fréquence choisie de façon à être au-dessus de la fréquence de coupure fc2pair et au-dessous de la fréquence de coupure fc2impair Par exemple, dans un exemple de fibre optique ayant une première fréquence de coupure fc qui est normalisée à 1,889, une seconde fréquence de coupure fc2pair de 2,505, la fréquence du signal optique d'entrée est choisie de
façon à avoir une valeur normalisée dans la bande de 1,889-
à 2,505. Par conséquent, on choisit une source de lumière telle que pratiquement la totalité de la lumière produite par cette source ait une fréquence normalisée qui est sensiblement inférieure à la seconde fréquence de coupure fc2pairr et une partie importante de la lumière ait une fréquence normalisée supérieure à la première fréquence de coupure fc. En termes de longueur d'onde, pratiquement la totalité de la lumière produite par la source de lumière possède une ou plusieurs longueurs d'onde qui sont supérieures à la seconde longueur d'onde de coupure 4c2 pair, et une partie importante de la lumière a au moins une longueur d'onde qui est inférieure à la première longueur d'onde de coupure Xc. Par conséquent, la lumière entrant dans la fibre optique est amenée à se propager uniquement dans le mode LP01 de premier ordre ou dans le mode LPll pair. Etant donné que la fréquence du signal optique est choisie de façon à être inférieure à la longueur d'onde de coupure pour le mode LP1l impair, pratiquement aucune
lumière ne se propage dans le mode LP11 impair.
Les figures 6a à 6g illustrent ce qui précède.
Sur les figures 6a et 6b, les deux modes de polarisation pour le mode LP01 de premier ordre sont illustrés. Un diagramme 210 de champ électrique représente sur la figure
6a le champ électrique pour le mode LP01 polarisé verti-
calement, et le diagramme 212 de champ électrique repré-
sente sur la figure 6b le champ électrique pour le mode LP01 polarisé horizontalement. L'homme de l'art comprendra que la fibre optique 200 (figure 5) est biréfringente pour le mode LP01 de premier ordre, et que le mode LP01 polarisé horizontalement se propage à une vitesse plus grande que celle du mode LP01 polarisé verticalement. Une distribution 214 d'amplitude du champ électrique pour les modes de propagation LP01 est illustrée sur la figure 6c. Comme illustré, la distribution 214 d'amplitude du champ
électrique est similaire à la distribution 116 d'amplitude-
du champ électrique sur la figure 2b, pour une fibre à coeur circulaire, et présente une amplitude de crête 216
proche de l'axe central du coeur 203.
Les figures 6d et 6e illustrent les modes LPll pairs pour la fibre 200 à coeur elliptique. Comme illustré sur les figures 6d et 6e, respectivement, un diagramme 220 de champ électrique en mode pair polarisé verticalement et un diagramme 222 de champ électrique en mode pair polarisé horizontalement sont tous les deux bien guidés par la fibre optique 200. Comme illustré sur la figure 6f, les modes LPll pairs ont une distribution d'amplitude de champ électrique, représentée par une courbe 204, qui comporte un premier maximum 226 proche d'une limite du coeur, et un second maximum 228 proche d'une limite opposée du coeur, le premier maximum 226 et le second maximum 228 étant déphasés
de 180 .
Le mode de polarisation LPll impair, représenté par un diagramme 230 de champ électrique (figure 6f), et le mode de polarisation horizontale LPll impair, représenté par un diagramme 232 de champ électrique (figure 6g), ne sont pas guidés par la fibre optique 200 lorsque la longueur d'onde optique est choisie de façon à être
supérieure à la seconde longueur d'onde de coupure Àc2-
Ainsi, l'énergie optique dans les modes LPll impairs, représentés par les diagrammes de champ 230 et 232, ne se propage pas. Par conséquent, plutôt que d'établir quatre voies de communication optique dégénérées, telles que produites par un guide d'onde à coeur circulaire ou un guide d'onde légèrement elliptique, le coeur hautement elliptique 202 de la fibre optique 200 établit uniquement deux voies de propagation en mode LP01 et deux voies de propagation en mode LPll pair. En outre, les voies de communication sont bien définies et stables et, en l'absence d'une perturbation affectant la fibre optique
200, il n'y a aucun couplage entre certaines, quelconques,-
des quatre voies. Par conséquent, un signal optique peut être envoyé dans le mode LP1l de second ordre, et il se propagera uniquement dans le mode LPll impair. Il n'est pas nécessaire d'éviter une excitation des diagrammes de lobes impairs du mode LPll de second ordre, car l'énergie optique dans ces diagrammes de lobes ne se propage pas. En outre, l'énergie optique n'est pas couplée vers les diagrammes de
lobes impairs.
En raison de la stabilité des diagrammes d'intensité de champ électrique du mode LP01 et des modes LP1l pairs, les performances des dispositifs à fibre optique développés précédemment pour utiliser le mode LP1l de second ordre sont accrues. Des exemples particuliers de dispositifs utilisant le guide d'onde à coeur hautement
elliptique seront donnés ci-après.
Description de l'invention
Il a été montré, par exemple dans le brevet des EUA n 4 741 586, que, lorsqu'une fibre optique bimode comportant un coeur hautement elliptique est excitée avec un signal optique ayant une longueur d'onde choisie pour exciter uniquement le mode LP01 et les diagrammes de lobes pairs du mode LPll, et lorsque le signal optique est appliqué à la fibre optique afin que des intensités approximativement égales de lumière soient introduites dans le mode LP01 et le mode LPll pair, un diagramme périodique de la distribution d'intensité dans la section transversale est obtenu sur la longueur de la fibre optique. Ceci est illustré sur la figure 7 o une fibre optique bimode 300, ayant une partie extrême d'entrée 304 et une partie extrême de sortie 308, est disposée de façon que la partie extrême d'entrée 304 soit proche d'une source 320 de lumière laser. La source 320 de lumière laser génère un signal optique d'entrée 324 (représenté par une flèche 324) ayant une longueur d'onde choisie pour exciter le mode LP01
et le mode LPll pair de la fibre optique 300 sans exciter-
le mode LP1l impair, comme décrit précédemment. La partie extrême d'entrée 304 est disposée de façon que le signal optique d'entrée 324 provenant de la source 320 soit introduit en intensités sensiblement égales dans le mode LP01 et le mode LP1l pair de la fibre optique 300. Par exemple, l'axe central de la fibre optique 300 peut être décalé de l'axe central du signal optique d'entrée 324 pour établir la distribution souhaitée de l'intensité de lumière
introduite dans la fibre optique 300.
Un signal optique 328 de sortie est émis depuis l'extrémité 308 de sortie de la fibre optique 300, comme représenté par une flèche 328. La partie extrême 308 de sortie de la fibre optique 300 est placée à proximité d'un écran 332 afin que l'intensité optique de la lumière puisse être observée. En variante, la partie extrême 308 de sortie
peut être placée à proximité d'un ou plusieurs photodétec-
teurs (non représentés) afin que l'intensité de sortie de lumière puisse être convertie en un signal électrique de sortie. Les deux modes de propagation spatiale se propagent dans la fibre optique 300 à des vitesses de phase différentes pour engendrer un diagramme périodique dans la distribution d'intensité en section transversale. Ceci est illustré sur la figure 8 et sur les figures 9a à 9i, la figure 8 représentant une partie de la fibre optique 300 et les figures 9a à 9i représentant des coupes ou sections transversales des diagrammes de distribution d'intensité optique aux emplacements 9a-9a, 9b-9b, etc., de la figure 8. Sur les figures 9a à 9i, la présence d'énergie optique dans la distribution d'intensité est représentée par les parties sombres des diagrammes d'intensité, et l'absence d'énergie optique est illustrée par les parties claires des diagrammes. Les figures 9a, 9c, 9e, 9g et 9i illustrent les distributions d'intensité hautement asymétriques qui
apparaissent en des emplacements o la différence de phase-
entre les deux modes est Nr, et la plus grande partie de la puissance optique est concentrée dans une moitié du coeur
elliptique. Par exemple, la figure 9a illustre la distribu-
tion d'intensité lorsque la différence de phase est nulle (c'est-à-dire Or); la figure 9c illustre la distribution d'intensité lorsque la différence de phase est r; et la figure 9e illustre la distribution d'intensité lorsque la différence de phase est 2r. Lorsque la différence de phase
est (N+l/2)r, la distribution d'intensité est symétrique.
La figure 9b illustre la distribution symétrique d'inten-
sité lorsque la différence de phase est r/2; et la figure 9d illustre la distribution symétrique d'intensité lorsque la différence de phase est 3r/2. Comme illustré sur la figure 8 et sur les figures 9a à 9i, les diagrammes d'intensité de mode sont périodiques et se répètent à chaque longueur de battement LB sur la longueur de la fibre
optique 302.
Le phénomène précédent est le résultat de l'accumulation d'un déphasage différentiel 0 entre les deux modes de propagation spatiale, dû à la différence entre les constantes de propagation des deux modes. La lumière émise par la partie extrême 308 de sortie de la fibre optique 300 produit un diagramme de rayonnement de sortie qui est sensible au déphasage différentiel cumulé total dans la fibre optique 300 entre la partie extrême d'entrée 304 et
la partie extrême de sortie 308. Le diagramme de rayonne-
ment de sortie peut être observé sur l'écran 332 pour déterminer le déphasage différentiel cumulé entre les deux modes depuis la partie extrême d'entrée 304 jusqu'à la
partie extrême de sortie 308. En variante, comme décrit ci-
dessous, la moitié supérieure, la moitié inférieure ou les deux moitiés du diagramme de rayonnement de sortie peuvent être détectées par des photodétecteurs pour déterminer le
déphasage différentiel.
Une fibre optique dans laquelle le mode LP01-
et le mode LP11 pair se propagent comme décrit ci-dessus
peut être avantageusement utilisée en tant qu'inter-
féromètre bimode. Voir, par exemple, B.Y. Kim et col-
laborateurs, dans "Use of Highly Elliptical Core Fibers for Two-Mode Fiber Devices", Optics Letters, Vol. 12, n 9, septembre 1987, pages 729- 731, o des interféromètres à fibre bimode, analogues à un interféromètre Mach-Zehnder, sont décrits. De tels interféromètres à fibre bimode sont en outre décrits dans la demande de brevet des EUA
n 245 717, déposée le 16 septembre 1988.
Comme illustré sur la figure 10, un exemple d'interféromètre 400 à fibre bimode comprend une source de lumière 402 qui produit un signal optique 404 de sortie, représenté par une flèche 404, lequel signal est couplé à une extrémité d'entrée 406 d'une première fibre optique monomode 408. La première fibre optique monomode 408 est couplée sur une fibre optique bimode 412 au moyen d'une première épissure déportée 416. En bref, l'épissure déportée 416 est réalisée de manière que le centre de la première fibre optique monomode 408 soit déportée par rapport au centre de la fibre optique bimode 412 au niveau de l'épissure 416. Ainsi, la lumière se propageant dans le mode LP01 de la première fibre optique monomode 408 est
envoyée asymétriquement dans la fibre optique bimode 412.
Les positions relatives des centres des deux fibres 408, 412 sont ajustées afin que la lumière excite les deux modes de la fibre optique bimode 412 avec des intensités
sensiblement égales.
Une seconde épissure déportée 420 couple la fibre optique bimode 412 à une seconde fibre optique monomode 424 afin que la lumière provenant du mode LP01 et la lumière provenant du mode LP1l de la fibre optique bimode 412 soient couplées sensiblement de façon égale dans le mode LP01 de la seconde fibre optique monomode 424. La seconde fibre optique monomode 424 a une extrémité de sortie 426 de laquelle un signal optique 428 de sortie est
émis, comme représenté par une flèche 428.
Un détecteur 432 est placé à proximité de l'extrémité 426 de sortie de la seconde fibre optique monomode 424 pour détecter la lumière qu'elle émet. Par
exemple, le détecteur 432 est avantageusement un photodé-
tecteur qui produit un signal électrique de sortie sur une ligne 436 de signal électrique, lequel signal varie en fonction de l'intensité de la lumière incidente sur le
détecteur 432.
Etant donné que la lumière se propageant dans la seconde fibre optique monomode 424 comprend de la lumière combinée à partir du mode LPo1 et du mode LP1l de la fibre optique bimode 412, la lumière émise depuis l'extrémité de sortie 428, incidente sur le détecteur 432,
a une intensité qui est sensible aux déphasages différen-
tiels relatifs de la lumière dans les deux modes de propagation de la fibre optique bimode 412. La fibre optique bimode 412 fonctionne à la manière d'une zone de détection de l'interféromètre 400 et est soumise à un paramètre 450 devant être capté, représenté par une flèche 450 sur la figure 10. Par exemple, le paramètre à capter peut être une déformation axiale, une variation de température, une pression acoustique ou autre. Lorsque le paramètre 450 est appliqué à la fibre optique bimode 412, les caractéristiques de propagation de la fibre optique bimode 412 sont perturbées. La perturbation provoque un changement de déphasage relatif de la lumière dans les deux modes et des variations de l'intensité de la lumière émise, incidente sur le détecteur 432, ce qui, par suite, provoque des changements correspondants du signal électrique de sortie sur la ligne 436. En contrôlant le signal électrique
de sortie sur la ligne 436, on peut contrôler le paramètre.
Il est bien connu que la détection de petites
variations d'un paramètre capté, appliqué à un inter-
féromètre, dépend de la polarisation de phase entre les deux signaux dans l'interféromètre. Ceci est illustré sur la figure 11 qui est un graphique de l'intensité optique I de sortie en fonction du déphasage différentiel 0 entre les deux signaux optiques qui, dans l'interféromètre 400 de la
figure 10, sont les signaux de mode LP01 et de mode LPll.
Comme illustré, l'intensité optique de sortie I en fonction
du déphasage différentiel 0 est une fonction cosinus 500.
Lorsque le déphasage différentiel 4 est de zéro (0) ou d'un multiple pair de r (c'est-à-dire 4 = 2Nr pour N =... -2, -1, 0, 1, 2...), l'intensité optique de sortie I est à un maximum, comme indiqué en 504, 508 et 512. Lorsque le déphasage différentiel 0 est un multiple impair de r (c'est-àdire < = (2N-1)r pour N =... -2, -1, 0, 1, 2 15...), l'intensité optique de sortie I est à un minimum, comme illustré en 520, 524 et 528. On peut voir que, lorsque le déphasage différentiel 4 est un multiple impair ou un multiple pair de r, l'interféromètre 400 est hautement insensible à de petites variations du déphasage différentiel 0 et est donc insensible à de petites variations du paramètre capté. Une petite variation du déphasage différentiel 0 provoque une petite variation correspondante de l'intensité de sortie I qui est très difficile à détecter. En outre, en raison de la symétrie de la fonction cosinus par rapport aux intensités minimales et maximales, une variation de l'intensité de sortie provoquée par une augmentation du déphasage différentiel 4 ne peut pas être distinguée d'une variation de l'intensité de
sortie provoquée par une diminution du déphasage différen-
tiel 40.
Le problème d'affaiblissement du signal illustré sur la figure 11 n'apparaît pas lorsque la polarisation de phase est à des multiples impairs de r/2 (par exemple, -3r/2, -r/2, r/2, 3X/2, etc.). Ceci est illustré sur la figure 11 par un décalage du déphasage différentiel d'une quantité OPOLARISATION (représentée comme étant approximativement égale à ir/2) jusqu'à un point de polarisation 530 sur la fonction 500. On peut voir qu'au point de polarisation 530, l'intensité de sortie I n'est ni à un minimum ni à un maximum. Par contre, l'intensité I de sortie générée par la fonction 500 au
point de polarisation 530 est approximativement à mi-
distance entre le maximum 508 et le minimum 524. Lorsque le déphasage différentiel 0 augmente à partir du point de polarisation 530, l'accroissement peut être aisément détecté sous la forme d'une diminution de l'intensité de sortie I, et lorsque le déphasage différentiel X diminue, la diminution peut être aisément détectée sous la forme d'une augmentation de l'intensité de sortie I. Bien que l'on puisse accroître la sensibilité d'un interféromètre en sélectionnant une polarisation de phase, comme illustré par la polarisation de phase PPOLARISATION sur la figure 11, la polarisation de phase elle-même est sensible à des paramètres de l'environnement, tels que la température ou analogue. Par conséquent,
l'interféromètre est soumis à un affaiblissement du signal.
* Autrement dit, la polarisation de phase s'éloigne en dérivant de la partie sensible de la fonction à mi-distance entre un minimum et un maximum et vers un minimum ou un maximum. Comme indiqué dans l'arrière- plan de l'invention,
on a développé plusieurs approches pour surmonter l'af-
faiblissement du signal, par exemple en stabilisant activement la polarisation de phase, en procédant à une détection cohérente et en utilisant un dispositif passif qui produit une information de quadrature de phase. La présente invention décrite en détail ci-après est un système passif qui résout le problème d'affaiblissement du signal en utilisant deux signaux optiques portant une information de phases en quadrature, au moyen d'une
technique nouvelle.
L'utilisation d'une information de phases en quadrature est illustrée sur les figures 12 et 13. Plutôt que d'essayer de commander la polarisation de phase comme décrit ci-dessus, des systèmes utilisant une information de phases en quadrature produisent deux signaux de sortie en quadrature l'un par rapport à l'autre. Par exemple, la figure 12 illustre une fonction cosinus 600 qui représente un premier signal sensible au déphasage différentiel q, comme précédemment. La figure 13 illustre une fonction sinus 610 qui représente un second signal sensible au déphasage différentiel 0 dont la phase est décalée de 90 (X/2) par rapport à celle du premier signal représenté par la fonction cosinus 600. On peut voir que, lorsque la fonction cosinus 600 est à un maximum ou à un minimum correspondant à une différence de phase 0, o le premier signal est le moins sensible à des variations de la différence de phase différentielle 0, la fonction sinus 610 représente une différence de phase q o la sensibilité à des variations de la différence de phase 0 est à un maximum. Singulièrement, lorsque le second signal est le moins sensible à des variations de la différence de phase différentielle, comme représenté par un minimum ou un maximun de la fonction sinus 610, le premier signal est le plus sensible à des variations de différence de phase différentielle. En utilisant la fonction cosinus 600 en combinaison avec la fonction sinus 610, on peut aisément
évaluer le déphasage différentiel 0 d'une manière classi-
que, connue de l'homme de l'art (voir, par exemple, David
W. Stowe et collaborateurs, dans "Demodulation of Inter-
ferometric Sensors Using a Fiber-Optic Passive Quadrature Demodulator", Journal of Lichtwave Technology, Vol. LT-1,
n 3, septembre 1983, pages 519-523).
L'invention concerne un système nouveau destiné à générer des signaux de sortie en quadrature dans
un interféromètre, et analogue. La présente invention-
utilise le phénomène peu connu appelé "effet Guoy"
découvert expérimentalement par G. Guoy en 1890. Fondamen-
talement, la description donnée par Guoy de l'effet est
qu'un faisceau optique, ayant une section transversale raisonnablement simple, acquiert une demi-période sup- plémentaire (c'est-à-dire 180 our) de déphasage en passant à travers une région focale du faisceau. Voir, par exemple, Anthony E. Siegman, "Lasers", University Science Books, Mill Valley, Californie, ISBN 0-935702-11-5,
chapitre 17, pages 682-685 (1986).
La Demanderesse a découvert que le déphasage qui apparaît conformément à l'effet Guoy peut être utilisé en combinaison avec un interféromètre, ou autre appareil dans lequel deux modes de propagation optique sont
combinés, pour l'obtention d'un signal sans affaiblisse-
ment, sensible à des variations de la différence de phase
entre les deux modes.
Comme indiqué dans l'article de Siegman, l'effet Guoy introduit un déphasage supplémentaire dans un faisceau Gaussien passant par une région focale ou un col ou rétrécissement du faisceau. Les modes Gaussiens (TEMlm) d'un faisceau divergeant à partir de son col peuvent être exprimés sous la forme: (6) k(x2+y2) Elm(X,y,z) = Alm(x,y,z)exp{i[-kz- + (l+m+l)(z)]} 2R(z) o Alm(x,y,z) est l'amplitude, k est le nombre d'onde, et le col de faisceau est à z+0. R(z) et n(z) sont donnés par: R(z) = z(l + z2/z2) (7) o 4(z) = tg-1(z/z0) (8) o z0 = (1/2)w2k est le rayon minimal du faisceau pour le o mode TEM00 à z = 0, auquel l'amplitude du champ optique est abaissée de 1/e en comparaison avec sa valeur à son maximum. Il convient de noter que la valeur de n(z) devient
r/2 lorsque z>>z0, ce qui mène à des déphasages différen-
tiels de r/2 entre les modes Gaussiens ayant une différence de 1 entre leurs valeurs respectives de m+1 lors d'une transition du faisceau de son col à la région de rayonne- ment en champ lointain. (Par exemple, le mode TEM00O a une valeur de m+l = 0, et le TEM10 a une valeur de m+l = 1, ce qui donne une différence de 1 entre les deux valeurs de m+1.) Ce déphasage dépendant du numéro de mode est une manière fiable d'obtenir une information de phases optiques en quadrature dans des systèmes interférométriques lorsque deux modes spatiaux partant en se propageant d'un col de faisceau sont utilisés en tant que deux branches d'un interféromètre. Ce qui précède est illustré sur la figure 14 pour un exemple de fibre optique bimode 630 ayant une extrémité d'entrée 632 et une extrémité de sortie 634. Une source de lumière 636 génère un signal optique d'entrée 638 qui est appliqué à l'extrémité d'entrée 632 afin que la lumière se propage dans la fibre optique 630 dans les modes de propagation spatiale LP01 et LP1l jusqu'à l'extrémité de sortie 634 o elle est rayonnée sous la forme d'un faisceau 640. Comme décrit précédemment, les deux modes spatiaux guidés (les modes LP01 et LP11) dans une fibre optique bimode, telle que la fibre 630, peuvent être obtenus avec une approximation précise en tant que modes Gaussiens TEM00 et TEM10. Le rayonnement sortant de l'extrémité de sortie 634 de la fibre optique 630 constitue un milieu idéal pour exécuter le déphasage Guoy r/2 pour la détection de phases en quadrature. L'extrémité de sortie 634 représente le col ou le point focal du faisceau 640 et, lorsque les modes LP01 et LP1l partent en rayonnant de l'extrémité de sortie 634, une différence de phase de 7r/2 est introduite entre les deux modes conformément à l'effet Guoy. Comme illustré
encore sur la figure 14, le diagramme de rayonnement en-
champ proche à l'extrémité de sortie 634 comprend une partie 642 en mode LP01 et une partie 644 en mode LPll, la partie en mode LP11 ayant une différence de phase 0 par rapport à la partie en mode LP01. Les deux parties de modes sont superposées pour donner un diagramme de rayonnement
composite illustré dans la table de diagramme de rayonne-
ment de la figure 14a. Par exemple, lorsque la différence de phase cumulée entre les deux modes de la lumière se propageant dans la fibre optique 630 est égale à 2Nr, le diagramme de rayonnement en champ proche comprend de la lumière dans le lobe supérieur, comme illustré par un diagramme 650. Dans une région de champ lointain éloignée de l'extrémité de sortie 634 de la fibre optique 630, une différence de phase r/2 supplémentaire est introduite entre les deux modes conformément à l'effet Guoy. Ainsi, comme illustré par un diagramme de rayonnement 652, la lumière est distribuée entre les lobes supérieur et inférieur du
diagramme de rayonnement.
Lorsque la lumière au champ proche présente une différence de phase 0 de (2N+1/2)r entre les deux modes, comme illustré par un diagramme 654, la lumière au champ lointain a une différence de phase de (2N+l)ir entre les
deux modes, comme illustré par un diagramme 656. Similaire-
ment, lorsque la lumière au champ proche a une différence de phase 0 de (2N+l)r entre les deux modes, comme illustré par un diagramme 658, la lumière au champ lointain a une différence de phase de (2N+3/2)r entre les deux modes, comme illustré par un diagramme 660. Enfin, lorsque la lumière au champ proche a une différence de phase de (2N+3/2)r entre les deux modes, comme illustré par un
diagramme 662, la lumière au champ lointain a une dif-
férence de phase de 2(N+l)r entre les deux modes, comme illustré par un diagramme 664. Par conséquent, on peut voir que le diagramme d'interférence de la lumière au champ proche est toujours en quadrature de phase avec le
diagramme d'interférence de la lumière au champ lointain.
L'invention décrite ci-après utilise cette relation entre les diagrammes de rayonnement en champ proche et en champ lointain pour obtenir deux signaux optiques de sortie en quadrature de phase à partir d'un interféromètre. Comme illustré sur la figure 14, le diagramme de rayonnement en champ proche apparaît directement à
l'extrémité de sortie 634 de la fibre optique bimode 630.
Un détecteur (non représenté) peut être placé directement sur l'extrémité de sortie 634 de la fibre optique bimode 630 pour recevoir la lumière émise soit à partir du lobe supérieur, soit à partir du lobe inférieur du diagramme de rayonnement en champ proche, un second détecteur (non représenté) étant placé pour recevoir le diagramme de rayonnement en champ lointain. Dans une forme préférée de réalisation de l'invention, on ne place pas de détecteur directement sur l'extrémité de sortie 634. Par contre, les deux détecteurs sont décalés par rapport à l'extrémité de sortie 634. La figure 15 illustre un système préféré pour obtenir les deux signaux en quadrature de phase en utilisant l'effet Guoy. Une fibre optique bimode 700, ayant un coeur hautement elliptique, présente une première extrémité 702 qui est placée à proximité de la sortie d'une source de lumière 704 afin qu'un signal optique 706 provenant de la source de lumière 704 soit amené à se propager dans la fibre optique bimode 700. Par exemple, la fibre optique bimode 700 est avantageusement une fibre disponible auprès de Polaroid Corporation, comportant un coeur dont le grand axe a une longueur de 4,1 micromètres et le petit axe une longueur de 2,2 micromètres. La fibre optique 700 a une longueur d'onde de coupure en mode LP11
de 633 nanomètres. La source de lumière 704 est avantageu-
sement un laser ionique à argon fonctionnant à une longueur
d'onde de 514,5 nanomètres.
Le signal optique 706 provenant de la source de lumière 704 est introduit dans la fibre optique 700 afin que la lumière se propage dans le mode LPo1 et dans le mode LP11 avec des intensités sensiblement égales. Ceci est obtenu, par exemple, en décalant le centre de l'extrémité d'entrée 702 par rapport à la sortie de la source de
lumière 704 d'une manière classique.
La fibre optique bimode 700 a une extrémité de sortie 710 qui produit un signal de sortie 712. L'extrémité de sortie 710 est placée à proximité d'une lentille convergente 714, telle qu'un objectif de microscope à grossissement de 20. La lentille 714 fait converger le signal de sortie 712 et ce signal est divisé en un premier faisceau 720 et un second faisceau 722 par un diviseur classique 724 de faisceau. Une première lentille 730 de formation d'image est placée au col du premier faisceau 720 pour former une image du diagramme en champ proche du premier faisceau sur un premier écran 732. Une seconde lentille 740 de formation d'image est placée sur le trajet du second faisceau 722 à distance du col de ce second faisceau 722 pour former une image du diagramme en champ lointain du second faisceau 722 sur un second écran 742. La dimension du diagramme en champ lointain projeté sur le second écran 742 est ajusté par un positionnement de la seconde lentille 740 de formation d'image par rapport au
diviseur 724 de faisceau et au second écran 742.
Un court tronçon de la fibre optique bimode 700 est étiré pour modifier la longueur de la fibre 700 et faire varier ainsi la différence de phase cumulée entre le mode LPo1 et le mode LPll. Les diagrammes sur le premier écran 732 et le second écran 742, observés pendant que la fibre 700 est étirée, changent en fonction de la différence de phase cumulée comme décrit ci-dessus en regard de la
figure 14.
On peut voir que le diagramme d'interférence
sur le premier écran 732 correspond au diagramme en champ-
proche à l'extrémité de sortie 710 de la fibre optique 700, et que le diagramme d'interférence sur le second écran 742
correspond au diagramme en champ lointain, comme décrit ci-
dessus. Par conséquent, les diagrammes d'interférence sur les deux écrans 732 et 742 sont en quadrature de phase. La base de la différence de phase de r/2 entre les deux diagrammes d'interférence peut être comprise en se référant d'abord à l'extrémité de sortie 710 de la fibre optique 700. La différence de phase entre les deux modes à l'extrémité de sortie 710 a une valeur de OSORTIE- Il n'est pas nécessaire que la valeur de OSORTIE soit connue pour montrer que le diagramme d'interférence sur le premier écran 732 correspond au diagramme d'interférence à
l'extrémité de sortie 710 et que le diagramme d'inter-
férence sur le second écran 742 correspond au diagramme en
champ lointain.
Comme illustré sur la figure 15, la lentille convergente 714 est placée suffisamment loin de l'extrémité de sortie 710 de la fibre optique 700 pour qu'elle se trouve dans la région de champ lointain de la lumière. Par conséquent, conformément à l'effet Guoy, la différence de phase entre les deux modes cumule une différence de phase de r/2 supplémentaire lorsque la lumière se propage de l'extrémité de sortie 710 jusqu'à la lentille convergente 714. La lumière à la lentille convergente 714 a donc une
différence de phase de OSORTIE+w/2 entre les deux modes.
La lumière passant à travers la lentille convergente 714 commence à converger. La partie de la lumière formant le second faisceau 722 à la suite du diviseur 724 de faisceau possède un premier col 750 à la suite duquel elle diverge en se propageant vers la seconde
lentille 740 de formation d'image, qui est placée suffisam-
ment loin du col 750 pour se trouver dans la région de
champ lointain de la lumière par rapport au col 750.
Pendant que la lumière dans le second faisceau 722 se propage de la région de champ lointain, à la lentille convergente 714, vers le col 750, une différence de phase de ir/2 supplémentaire s'accumule entre les deux modes conformément à l'effet Guoy. En outre, pendant que la lumière dans le second faisceau 722 se propage depuis le premier col 750 vers la seconde lentille 740 de formation d'image, une différence de phase de r/2 supplémentaire
s'accumule, pour donner une différence de phase supplémen-
taire totale cumulée de X lorsque la lumière se propage entre la lentille convergente 714 et la seconde lentille 740 de formation d'image. Enfin, lorsque la lumière dans le second faisceau 722 se propage depuis la seconde lentille 740 de formation d'image vers le second écran 742, elle converge d'abord pour former un second col 752, puis diverge pour former un diagramme en champ lointain sur le second écran 742. La lumière dans les deux modes cumule une différence de phase supplémentaire de r/2 entre la seconde lentille de formation d'image et le second col 752 et une différence de phase supplémentaire de r/2 entre le second col 752 et le second écran 742. La différence de phase cumulée totale supplémentaire entre l'extrémité de sortie 710 et le second écran 740 est r/2+2r, ce qui équivaut à r/2. Par conséquent, le diagramme d'interférence formé sur le second écran 740 représente OSORTIE+v/2, ce qui est la même différence de phase relative entre les deux modes que la différence de phase à la première région de champ lointain (c'est-à-dire à l'emplacement de la lentille
convergente 714).
A présent, en suivant le trajet optique allant de l'extrémité de sortie 710 de la fibre optique 700 au premier écran 732, la lumière dans les deux modes cumule une différence de phase supplémentaire de r/2, comme décrit ci-dessus. La lumière formant le premier faisceau 720 converge en un premier col 760 de faisceau à l'emplacement de la première lentille 730 de formation d'image afin que la lumière cumule une différence de phase supplémentaire de r/2 entre les deux modes conformément à l'effet Guoy. La première lentille 730 de formation d'image, au premier col 760 du premier faisceau 720, provoque la formation d'un second col 762 du faisceau car le premier faisceau 720
converge d'abord, puis diverge vers le premier écran 732.
Une différence de phase supplémentaire de r/2 entre les deux modes se cumule pendant que la lumière se propage de la première lentille 730 de formation d'image vers le second col 762 de faisceau, et une autre différence de phase supplémentaire de r/2 s'accumule pendant que le premier faisceau se propage du second col du faisceau vers le premier écran 732. La différence de phase cumulée supplémentaire totale, depuis l'extrémité de sortie 710 de la fibre optique 700 jusqu'au premier écran 732, est 2r, et la différence de phase entre les deux modes dans le diagramme d'interférence sur le premier écran 732 est 1SO RTIE+2r, qui équivaut à OSORTIE- Par conséquent, le
diagramme d'interférence sur le premier écran 732 cor-
respond au diagramme en champ proche à l'extrémité de
sortie 710 de la fibre optique 700.
On peut voir qu'en plaçant les lentilles 714, 730 et 740 comme illustré sur la figure 15, on peut observer le diagramme d'interférence en champ proche et le diagramme d'interférence en champ lointain sans avoir à placer un écran à l'extrémité de sortie 710 de la fibre optique 700. On peut en outre voir que les diagrammes d'interférence affichés sur les deux écrans sont en
quadrature de phase l'un par rapport à l'autre.
La figure 16 illustre le système de la figure , le premier écran 732 étant remplacé par un premier détecteur 770 et par un second détecteur 772, placés à
proximité du lobe supérieur et du lobe inférieur, respec-
tivement, du diagramme d'intensité du premier faisceau 720.
Similairement, le second écran 742 est remplacé par un-
troisième détecteur 774 et par un quatrième détecteur 776, placés à proximité du lobe supérieur et du lobe inférieur, respectivement, du diagramme d'intensité du second faisceau 722. Les sorties électriques des premier et deuxième détecteurs 770, 772 sont appliquées en entrées à un premier amplificateur différentiel 778 qui produit un signal électrique de sortie cos < sur une ligne 780 de signal, lequel signal est sensible aux intensités dans les deux lobes et est donc sensible à la différence de phase entre les deux modes dans le premier faisceau 720. Similairement, les sorties électriques des troisième et quatrième détecteurs 774, 776 sont appliquées en entrées à un second amplificateur différentiel 782 qui produit un signal électrique de sortie sin < sur une ligne 784 de signal, lequel signal est sensible aux intensités dans les deux lobes et est donc sensible à la différence de phase entre les deux modes dans le second faisceau 722. Les amplitudes des signaux électriques sur les deux lignes sont contrôlées afin de vérifier que les diagrammes d'interférence sont en
quadrature de phase.
La figure 17 illustre les signaux électriques de sortie mesurés dans un système expérimental construit conformément à la figure 16. Une première courbe 786 représente l'intensité du signal électrique de sortie sur la première ligne 780 de signal provenant du premier amplificateur différentiel 778 et représente donc le signal cos 0 correspondant à l'intensité différentielle de la
lumière dans les deux lobes du diagramme en champ proche.
Une seconde courbe 788 représente l'intensité du signal électrique de sortie sur la seconde ligne de signal 784 provenant du second amplificateur différentiel 782, et représente donc le signal sin < correspondant à l'intensité différentielle de la lumière dans les deux lobes du diagramme en champ lointain. Les axes horizontaux des deux courbes représentent les déphasages provoqués par un
étirement de la fibre optique 700. L'axe vertical repré-
sente l'intensité des signaux de sortie des amplificateurs différentiels 778, 782. (Il convient de noter que les amplitudes des deux signaux sont représentées sous forme de valeurs alternatives sur les courbes 786, 788 pour montrer les relations de phase entre les minima et les maxima des deux signaux; le positionnement vertical des deux courbes 786, 788, l'une par rapport à l'autre, n'est pas destiné à montrer des niveaux d'intensité continus.) On peut voir que, lorsque l'intensité différentielle de la lumière dans le champ proche est à un maximum ou à un minimum, comme représenté par un maximum ou un minimum dans la première courbe 786, l'intensité différentielle de la lumière dans le champ lointain, telle que représentée par la seconde courbe 786, est sensiblement à mi-distance entre un maximum
ou un minimum, et vice versa. Par conséquent, les diagram-
mes d'interférence sont représentés comme étant en
quadrature de phase.
La figure 18 illustre un exemple de réalisation d'un interféromètre 800 du type Mach-Zehnder utilisant la présente invention. Comme illustré, l'interféromètre 800 comprend une source de lumière 802 qui produit un signal optique d'entrée 804 qui est couplé dans une extrémité d'entrée 810 d'une première fibre optique monomode 812 au moyen d'une lentille de focalisation (non représentée) ou
d'une autre manière classique.
La première fibre optique monomode 812 présente une seconde extrémité 814. Un coupleur directif 820 est formé sur la première fibre optique monomode 812 entre la première extrémité 810 et la seconde extrémité 814. Le
coupleur directif 820 est avantageusement réalisé conformé-
ment au brevet des EUA n 4 536 058 ou à un équivalent. Le coupleur directif 820 couple la première fibre optique monomode 812 sur une seconde fibre optique monomode 822 qui
présente une première extrémité 824 et une seconde-
extrémité 826.
Le coupleur directif 820 est réalisé de manière que la lumière se propageant dans la première fibre optique monomode 812 depuis la source de lumière 802 soit divisée sensiblement de façon égale afin qu'environ 50 % de la lumière continuent de se propager dans la première fibre optique monomode 812 et qu'environ 50 % soient couplés vers la seconde fibre optique monomode 822 pour s'y propager. Le tronçon de la première fibre optique monomode 812 suivant le coupleur directif 820 comprend une première branche 830 de détection de l'interféromètre Mach-Zehnder 800, et le tronçon de la seconde fibre optique monomode 822 comprend
un second bras de détection 832 de l'interféromètre Mach-
Zehnder 800. Par exemple, l'un des bras de détection 830, 832 peut être placé de façon à être perturbé par un paramètre à détecter (par exemple une température, une pression acoustique, une déformation, etc.), tandis que l'autre branche est protégée de la perturbation et sert
donc de branche de référence.
A la suite de la branche de détection 830, un coupleur directif 840, sélectif en fonction du mode, est formé sur la première fibre optique monomode 812. Le coupleur directif 840 sélectif en fonction du mode comprend une fibre optique bimode 842 qui est juxtaposée à la première fibre optique monomode 812 pour qu'un couplage optique soit établi entre elles. Un exemple de coupleur directif, sélectif en fonction du mode, est décrit, par exemple, dans le brevet des EUA n 4 828 350. La fibre optique bimode 842 présente une première extrémité 844 et une seconde extrémité 846. La première extrémité 844 de la fibre optique bimode 842 est épissurée en bout sur la seconde extrémité 826 de la seconde fibre optique monomode 822 au niveau d'une épissure 848. De préférence, les coeurs de la second fibre optique monomode 822 et de la fibre optique bimode 842 sont alignés à l'épissure 848 afin que pratiquement la totalité de la lumière se propageant dans la seconde fibre optique monomode 822 soit couplée sur le mode LP01 de la fibre optique bimode 842. Pour éliminer toute lumière dans le mode LPll de la fibre optique bimode 842, un tronçon de la fibre optique bimode 842 compris entre l'épissure 848 et le coupleur directif 840 sélectif en fonction du mode est formé en un suppresseur 850 de mode LPll qui est avantageusement constitué de plusieurs boucles
de la fibre optique bimode 842, à rayon court.
Comme décrit dans le brevet des EUA n 4 828 350 précité, le coupleur directif 840, sélectif
en fonction du mode, est réalisé de manière que pratique-
ment 100 % de la lumière dans la première fibre optique monomode 812 soient couplés sur le mode LP1l de la fibre optique bimode 842 pour se propager jusqu'à la seconde extrémité 846. Pratiquement aucun couplage n'a lieu du mode LP01 de la fibre optique bimode 842 vers la première fibre optique monomode 812. Par conséquent, la lumière se propageant dans le mode LP01 de la fibre optique bimode 842 comprend la lumière qui s'est propagée par la seconde branche 832 de détection de l'interféromètre MachZehnder 800, tandis que la lumière se propageant dans le mode LPll de la fibre optique bimode 842 comprend la lumière qui s'est propagée par la première branche 830 de détection de l'interféromètre Mach-Zehnder 800. La lumière se propageant dans les deux modes de la fibre optique bimode 842 vers l'extrémité de sortie 846 possède une différence de phase relative qui varie en fonction des perturbations de
différence appliquées aux branches de détection 830, 832.
La lumière combinée rayonne depuis la seconde extrémité 846
en tant que signal de sortie 852.
Comme illustré en outre sur la figure 18, un détecteur 860 de phases en quadrature, réalisé conformément à la figure 16, est placé à proximité de la seconde extrémité 846 de la fibre optique bimode 842 afin de recevoir le signal de sortie 852 et de générer un premier signal de sortie et un second signal de sortie qui sont en quadrature de phase. Le détecteur 860 de phases en quadrature comprend une lentille convergente 862 qui est placée dans la région de champ lointain du signal de sortie 852. Un diviseur 870 de faisceau forme un premier faisceau 872 et un second faisceau 874 à partir du signal de sortie 852. Une image du premier faisceau 872 est formée par une première lentille 880 de formation d'image afin de constituer un diagramme de rayonnement en champ proche qui est incident sur un premier détecteur 882 et un second détecteur 884. Les premier et second détecteurs 882, 884 sont disposés de façon à recevoir de la lumière par les
moitiés supérieure et inférieure du diagramme de rayonne-
ment en champ proche. Les sorties des premier et second détecteurs 882, 884 sont appliquées en entrées à un premier amplificateur différentiel 886 qui produit un signal de sortie sur une ligne 888 de signal, lequel signal est sensible à la différence entre les intensités des moitiés supérieure et inférieure du diagramme de rayonnement en champ proche et est donc sensible à la différence de phase entre la lumière dans les modes LPo1 et LPll au champ proche. Le signal de sortie sur la ligne 888 est désigné le
cos 0 pour référence.
Une image du second faisceau 874 est formée par une seconde lentille 890 de formation d'image afin de constituer un diagramme de rayonnement en champ lointain qui est incident sur un troisième détecteur 892 et un quatrième détecteur 894. Les troisième et quatrième détecteurs 892, 894 sont disposés de façon à recevoir de la lumière dans les moitiés supérieure et inférieure du diagramme de rayonnement en champ lointain. Les sorties des troisième et quatrième détecteurs 892, 894 sont appliquées en entrées à un second amplificateur différentiel 896 qui
produit un signal de sortie sur une ligne de signal 898,-
lequel signal est sensible à la différence entre les inten-
sités des moitiés supérieure et inférieure du diagramme de rayonnement en champ lointain et est donc sensible à la différence de phase entre les lumières dans les modes LP01 et LPll au champ lointain. Etant donné que le signal de sortie sur la ligne de signal 898 est en quadrature de phase avec le signal de sortie cos 4 sur la ligne de signal
888, il est désigné sin 4.
Le signal de sortie cos 4 sur la ligne 888 de signal et le signal de sortie sin 4 sur la ligne 898 de signal sont appliqués en tant qu'entrées à un processeur 900 (représenté en trait mixte) qui traite les deux signaux en quadrature d'une manière classique et produit un signal de sortie X sur une ligne 902. Le signal de sortie 4 est sensible à la différence de phase entre les deux signaux dans les deux branches de détection 830, 832 dans
l'interféromètre 800.
La figure 19 illustre l'utilisation du système détecteur de phases en quadrature de l'invention pour éliminer l'affaiblissement du signal dans un système de communication homodyne cohérent 950. Le système 950 comprend une fibre optique monomode 952 par laquelle un signal de communication optique arrivant est appliqué en entrée au système 950 à partir d'une source 954 de signal (représentée en trait mixte). Le signal arrivant possède une fréquence optique connue. Une information vocale ou une information de donnée est communiquée par une modulation de phase du signal de communication optique à la source 954 de signal. Un oscillateur local 960 génère un signal optique local qui travaille sensiblement à la même fréquence optique que le signal de communication optique arrivant. Par exemple, l'oscillateur local 960 est avantageusement une source de lumière laser qui produit un signal de sortie laser 962 possédant une largeur de bande
très étroite.
Le signal optique local 962 est appliqué en tant qu'entrée à une première extrémité 964 d'une fibre optique bimode 966. La première extrémité 964 de la fibre optique bimode 966 est alignée avec la sortie de l'oscil- lateur local 960 afin que pratiquement la totalité du signal optique local soit couplée sur le mode LP01 de la fibre optique bimode 966. Un suppresseur de mode 968 est formé sur la fibre optique bimode 966 afin d'éliminer toute lumière qui peut être couplée sur le mode LPll de la fibre
optique bimode 966.
La fibre optique monomode 952 et la fibre optique bimode 966 sont formées en un coupleur directif 970, sélectif en fonction du mode, qui est avantageusement réalisé conformément au brevet des EUA n 4 828 350 précité, comme décrit précédemment. Comme expliqué précédemment, lalumière se propageant dans la fibre optique monomode 952 est couplée sur le mode LPll de la fibre optique bimode 966, tandis que la lumière se propageant dans le mode LP01 de la fibre optique bimode 966 reste dans le mode LP01. Les deux modes ont une différence de phase optique qui varie en fonction de l'information de voix ou de l'information de donnée transmise par la source
954 du signal. Par conséquent, les diagrammes d'inter-
férence en champ proche et en champ lointain varient en fonction de l'information vocale ou de l'information de donnée transmise. La fibre optique bimode 966 présente une seconde extrémité 980 de laquelle rayonne un signal de
sortie 982.
L'information de phase est détectée par un détecteur 860' de phases en quadrature, qui est réalisé conformément au détecteur 860 de phases en quadrature de la figure 18 et fonctionne de la même manière. Sur la figure 19, les éléments du détecteur 860' de phases en quadrature
porte les mêmes références numériques que sur la figure-
18, et la même description peut leur être appliquée. Les
signaux cos X et sin ç sont traités dans un processeur 900'. Ce dernier produit un signal de sortie sur une ligne 902' de signal, lequel signal représente l'information initiale de voix ou de donnée transmise par la source 954
de signal.
Bien qu'étant décrit en association avec un exemple d'interféromètre et avec un exemple d'un système de communication, il est bien entendu que le détecteur passif de quadrature selon l'invention peut être utilisé en combinaison avec d'autres systèmes dans lesquels il est nécessaire de déterminer la différence de phase optique
entre deux signaux.
De nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du
cadre de l'invention.
Claims (20)
1. Appareil pour détecter une différence de phase entre des premier et second signaux optiques, caractérisé en ce qu'il comporte: une fibre optique multimode (842, 966); des moyens (840, 970) destinés à coupler l'un des premier et second signaux optiques sur un premier mode de la fibre optique multimode (842, 966) et l'autre des premier et second signaux optiques sur un second mode de la fibre optique multimode (842, 966), lesdits premier et second modes de la fibre optique multimode (842, 966) interférant dans ladite fibre optique multimode (842, 966) en réponse à la différence de phase entre les premier et second signaux, ladite fibre optique multimode (842, 966) produisant un signal optique de sortie (852, 982) qui possède un diagramme d'intensité sensible à la différence de phase entre les premier et second signaux optiques, ce diagramme d'intensité représentant en outre une différence de phase entre les premier et second modes du signal optique de sortie (852, 982); des moyens (882, 884) destinés à détecter un diagramme d'intensité en champ proche qui représente ledit diagramme d'intensité du signal optique de sortie (852, 982); et des moyens (892, 894) destinés à détecter un diagramme d'intensité en champ lointain qui est en quadrature avec le diagramme d'intensité en champ proche, le diagramme d'intensité en champ lointain représentant une différence de phase, entre les premier et second modes, qui diffère de 90 (r/2 radians) de ladite différence de phase entre les premier et second modes du signal optique de
sortie (852, 892) représentée par ledit diagramme d'inten-
sité en champ proche.
2. Appareil selon la revendication 1, carac-
térisé en ce que la différence de 90 dans lesdites-
différences de phase est provoquée par l'effet Guoy.
3. Appareil selon la revendication 1, carac-
térisé en ce que les premier et second signaux optiques se propagent dans des premier et second trajets respectifs de propagation, et en ce que ladite différence de phase est provoquée par une différence entre les longueurs des
premier et second trajets de propagation.
4. Appareil selon la revendication 3, carac-
térisé en ce que les premier et second trajets de propaga-
tion comprennent des première (830) et seconde (832)
branches d'un interféromètre Mach-Zehnder (800).
5. Appareil selon la revendication 3, carac-
térisé en ce que les premier et second trajets de propaga-
tion comprennent des premier et second modes de propagation
spatiale d'une fibre optique.
6. Appareil selon la revendication 1, carac-
térisé en ce que le premier signal optique est caractérisé par un signal de communication ayant une fréquence optique, ledit signal de communication représentant une information par des décalages de la phase du premier signal optique, en ce que le second signal optique comprend un signal optique (962) ayant une fréquence optique sensiblement égale à ladite fréquence optique connue, et en ce que le signal optique de sortie (982) possède un diagramme d'intensité qui est sensible auxdits décalages de la phase du premier
signal optique.
7. Appareil caractérisé en ce qu'il comporte: un interféromètre (800, 950) ayant une sortie destinée à produire un signal de sortie; un dispositif de détection (860, 860') destiné à détecter des phases en quadrature du signal de sortie, ledit dispositif de détection comprenant des premier (882, 884) et second (892, 894) détecteurs placés de façon à détecter le signal de sortie en des premier et second
emplacements, respectivement, lesdits premier et second-
emplacements étant disposés l'un par rapport à l'autre pour produire un déphasage Guoy de Nir/2 (o N est un entier impair) pour ledit signal de sortie auxdits premier (882,
884) et second (892, 894) détecteurs, respectivement.
8. Procédé de détection, caractérisé en ce qu'il consiste: à faire interférer deux signaux optiques; à détecter une interférence entre les signaux en des premier et second emplacements afin de produire des premier et second signaux de sortie (cos 0, sin 0) ayant entre eux une différence de phase qui est indépendante de l'interférence entre les signaux; et à choisir les emplacements afin que la différence de phase soit fixe et insensible à l'influence
de l'environnement.
9. Procédé selon la revendication 8, carac-
térisé en ce que ladite étape du choix des emplacements consiste à choisir le premier emplacement afin qu'il se trouve à un diagramme en champ proche des signaux optiques, et à choisir ledit second emplacement afin qu'il se trouve
à un diagramme en champ lointain des signaux optiques.
10. Procédé selon la revendication 8, carac-
térisé en ce que l'étape de choix des emplacements consiste à choisir les deux emplacements pour produire un déphasage
par effet Guoy entre les deux emplacements.
11. Procédé selon la revendication 8, carac-
térisé en ce que la différence de phase est de 90 .
12. Appareil, caractérisé en ce qu'il com-
porte: un dispositif interférométrique (800, 950) produisant un signal optique de sortie (852, 982) qui est sensible à une interférence entre des signaux optiques interférant entre eux; un premier détecteur (852, 884) destiné à
détecter ledit signal optique de sortie (852, 982); et -
un second détecteur (892, 894) destiné à détecter ledit signal optique de sortie (852, 982), les premier (882, 884) et second (892, 894) détecteurs étant disposés de manière que ledit signal optique de sortie (852, 982) audit second détecteur (892, 894) soit déphasé par rapport audit signal optique de sortie (852, 982) audit premier détecteur (882, 884) pour produire une différence de phase entre ledit signal optique de sortie (852, 982) audit premier détecteur (882, 884) et ledit signal optique de sortie (852, 982) audit second détecteur (892, 894), lesdits premier (882, 884) et second (892, 894) détecteurs étant disposés de façon que ladite différence de phase soit
stable et insensible à l'influence de l'environnement.
13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que la différence de phase est provoquée
par un déphasage dû à l'effet Guoy.
14. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que le premier détecteur (882, 884) est disposé dans un diagramme de champ proche du signal optique de sortie (852, 982) et le second détecteur (892, 894) est disposé dans un diagramme en champ lointain du signal
optique de sortie (852, 982).
15. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dispositif interférométrique (800,
950) comprend une fibre optique bimode (842, 966).
16. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dispositif interférométrique (950) comprend un oscillateur (960) qui module la phase de l'un
des signaux optiques à une fréquence prédéterminée.
17. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que les premier (882, 884) et second (892, 894) détecteurs génèrent des premier et second signaux de détecteur (cos p, sin 0) qui sont en quadrature de phase, et en ce que le dispositif interférométrique (800, 950) comprend un processeur (900, 900') destiné à traiter lesdits signaux (cos 0, sin 0) des détecteurs pour
mesurer ladite interférence entre les signaux optiques.
18. Procédé pour détecter la lumière sortant d'un interféromètre (800, 950), caractérisé en ce qu'il consiste à détecter ladite lumière en plusieurs emplace- ments, et à utiliser l'effet Guoy pour produire une différence de phase entre la lumière audit premier
emplacement et la lumière audit second emplacement.
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que la différence de phase est un multiple impair de r/2, et ladite étape de détection
consiste à générer des signaux (cos 4, sin ç) des détec-
teurs, le procédé consistant en outre à traiter les signaux (cos 0, sin 4) des détecteurs pour mesurer des variations
de la lumière.
20. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'étape de détection consiste (a) à diviser la lumière en plusieurs faisceaux (872, 874), (b) à diriger les faisceaux (872, 874) sur plusieurs détecteurs (882, 884; 892, 894), respectivement, et (c) à disposer les détecteurs (882, 884; 892, 894) de manière que l'un se trouve dans un diagramme en champ proche de la lumière et que l'autre se trouve dans un diagramme en champ lointain
de la lumière.
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