FR2652657A1 - Systeme et procede pour commander la polarisation d'une lumiere guidee par un guide d'ondes optique. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système et un procédé de commande active de polarisation dans un guide d'onde optique. Il comporte un dispositif (22) destiné à commander la biréfringence d'un guide d'onde optique (32) et comprenant deux transducteurs (34, 36) à axes parallèles et un troisième transducteur (35) dont l'axe est décalé de 45degré de ceux des deux premiers transducteurs, des dispositifs (39, 41) destinés à appliquer des premier et second signaux de commande respectivement aux premier et deuxième transducteurs et au troisième transducteur, un dispositif (42) destiné à former un signal électrique représentatif de l'intensité de la lumière dans le guide d'onde optique (32), et un dispositif (44) destiné à former un signal d'erreur représentatif de différence entre l'état de polarisation de la lumière guidée et un état de polarisation prédéterminé et souhaité. Domaine d'application: capteurs de rotation, systèmes de communications cohérentes, etc.
Description
L'invention concerne de façon générale des appareils et des procédés pour
commander la polarisation de la lumière. L'invention concerne en particulier des appareils et des procédés pour commander la polarisation d'une lumière se propageant dans une fibre optique. Plus particulièrement encore, l'invention concerne des appareils et des procédés pour commander la polarisation d'une lumière dans des systèmes de détection de rotation à fibre optique et dans des systèmes de communications ou de
transmissions cohérentes.
Un interféromètre à anneau à fibre optique comprend habituellement une boucle de matière pour fibre optique dans laquelle se propagent en sens contraire des ondes lumineuses. Après avoir parcouru la boucle, les ondes se propageant en sens contraire sont combinées de façon à interférer de manière constructive ou destructive pour former un signal optique de sortie. L'intensité du signal optique de sortie varie en fonction de l'interférence, laquelle est dépendante de la phase relative des ondes se
propageant en sens contraire.
Les interféromètres à anneau à fibre optique se sont avéré être particulièrement utiles pour la détection d'une rotation. Une rotation de la boucle engendre une différence de phase relative ou non réciproque
entre les ondes se propageant en sens contraire, conformé-
ment à l'effet Sagnac bien connu, l'amplitude de la différence de phase étant une fonction de la vitesse angulaire de la boucle autour de son axe sensible. Le signal optique de sortie produit par l'interférence des ondes se propageant en sens contraire varie en intensité en fonction de la vitesse de rotation de la boucle. La détection d'une rotation s'effectue par détection du signal
optique de sortie et traitement de ce signal pour déter-
miner la vitesse de rotation.
Certaines connaissances dans le domaine de la polarisation de la lumière et de la propagation de la lumière dans une structure de guide d'ondes optique faciliteront la compréhension de l'invention. Il est bien connu qu'une onde lumineuse peut être représentée par un champ électromagnétique variant dans le temps, comprenant des vecteurs champs électrique et magnétique orthogonaux ayant une fréquence égale à la fréquence de l'onde de lumière. Une onde électromagnétique se propageant à travers une structure de guidage peut être décrite par un
jeu de modes normaux. Les modes normaux sont des distribu-
tions admissibles des champs électrique et magnétique dans la structure de guidage, par exemple un guide d'ondes à fibre optique. Les distributions des champs sont liées directement à la distribution d'énergie dans la structure de guidage. Les modes normaux sont généralement présentés
par des fonctions mathématiques qui décrivent les composan-
tes des champs de l'onde en termes de fréquence et de distribution spatiale dans la structure de guidage. Les fonctions spécifiques qui décrivent les modes normaux d'un guide d'ondes dépendent de la géométrie de ce guide d'ondes. Pour une fibre optique, o l'onde guidée est confinée à une structure ayant une section transversale circulaire de dimensions fixes, seuls des champs ayant une certaine fréquence et une certaine distribution spatiale se propagent sans affaiblissement important. Les ondes ayant
des composantes de champ qui se propagent sans affaiblisse-
ment sont appelées modes normaux. Une fibre monomode ne
propage qu'une distribution spatiale d'énergie, c'est-à-
dire un mode normal, pour un signal d'une fréquence donnée.
En décrivant les modes normaux, il est commode de se référer à la direction des champs électrique et magnétique par rapport à la direction de propagation de l'onde. La direction du vecteur champ électrique dans une onde électromagnétique est la polarisation de l'onde. En général, une onde possède une polarisation aléatoire dans laquelle il y a une distribution uniforme de vecteurs champ électrique orientés dans toutes les directions admissibles pour un mode donné. Si la totalité du champ électrique dans
une onde est orientée dans une seule direction particuliè-
re, l'onde est polarisée linéairement. Si le champ électrique est constitué de deux composantes orthogonales de champ électrique d'amplitude égale, le champ électrique est polarisé circulairement, car le champ électrique résultant est un vecteur qui tourne autour de l'axe optique à une vitesse angulaire égale à la fréquence de l'onde. Si les deux polarisations linéaires sont inégales, l'onde a une polarisation elliptique. En général, toute polarisation arbitraire peut être représentée par la somme de deux polarisations linéaires orthogonales, de deux polarisations circulaires de directions opposées ou de deux polarisations elliptiques tournant en sens contraire, dont les axes
majeurs sont orthogonaux.
La limite entre le coeur et la gaine d'une fibre optique est une interface diélectrique dans laquelle
certaines conditions limites bien connues sur les composan-
tes de champ doivent être satisfaites. Par exemple, la
composante du champ électrique perpendiculaire à l'inter-
face doit être continue. Une fibre optique monomode propage de l'énergie électromagnétique ayant une composante de
champ électrique perpendiculaire à l'interface coeur-gaine.
Etant donné que le coeur de la fibre a un indice de réfraction supérieur à celui de la gaine et que la lumière atteint l'interface sous des angles supérieurs ou égaux à l'angle critique, pratiquement la totalité du champ électrique reste dans le coeur par réflexion interne à l'interface. Pour satisfaire les exigences à la fois de continuité et de réflexion interne, la composante de champ électrique radiale dans la gaine doit être une fonction exponentielle à décroissance rapide. Le champ décroissant exponentiellement est habituellement appelé le "champ évanescent". La vitesse d'un signal optique dépend de l'indice de réfraction du milieu dans lequel la lumière se propage. Certaines matières ont des indices de réfraction différents pour des polarisations différentes. Une matière
ayant deux indices de diffraction est dite biréfringente.
Une fibre optique monomode classique peut être considérée comme une fibre à deux modes, car elle propage deux modes de la même fréquence et de la même distribution spatiale,
qui ont deux polarisations différentes. Les deux composan-
tes de polarisation différente du même mode normal peuvent se propager dans une matière biréfrigente non modifiée,
hormis une différence de vitesse entre les deux polarisa-
tions. Il est bien connu que dans de nombreux systèmes à fibre optique, il peut être souhaitable d'avoir une lumière d'un état de polarisation connue en des points
choisis pour l'appliquer à des composants dont le fonction-
nement dépend de la polarisation, afin de minimiser les erreurs. L'état de polarisation est particulièrement important dans un dispositif tel qu'un capteur de rotation à fibre optique. Dans un système de détection de rotation à fibre optique polarisée, des erreurs de dérive dues à des variations de polarisation sont déterminées par la qualité
du polariseur.
L'état de polarisation de la lumière se propageant dans une fibre optique monomode n'est pas stable avec le temps ou la distance le long de la fibre. Dans un capteur de rotation à fibre optique qui comprend un polariseur, un état de polarisation préféré est défini à l'emplacement du polariseur avant que le signal optique ne soit utilisé pour former les ondes se propageant en sens
contraire, qui sont introduites dans la boucle de détec-
tion. Les deux ondes se propageant en sens contraire, revenant de la boucle de détection au polariseur, doivent avoir des états de polarisation qui concordent avec l'état
de polarisation défini à l'origine.
Cependant, la biréfringence d'une fibre optique normale provoque en général un décalage de polarisation entre les ondes d'entrée et de sortie. Ce décalage de
polarisation a pour résultat plusieurs conditions in-
désirables, la plus importante comprenant une force réduite du signal et un signal non réciproque parasite accru au détecteur. En outre, la biréfringence de la fibre change avec le temps, par exemple sous l'effet de variations de la température, de fluctuations acoustiques, de déformations
mécaniques telles qu'une flexion, une torsion, une compres-
sion ou la formation d'un coude de la fibre, et des
fluctuations du champ magnétique. Le décalage de polarisa-
tion, dépendant du temps, qui en résulte aboutit à une force instable du signal et à une dérive de la composante de signal non réciproque, qui est utilisée pour indiquer la vitesse de rotation. Les effets, à la fois statiques et dépendant du temps, de la désadaptation dans l'état de polarisation dégradent les- performances du capteur de
rotation à fibre optique.
Un état de polarisation linéaire dans une fibre optique est habituellement obtenu avec un certain type de polariseur linéaire, tel que le polariseur de fibre optique décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 386 822. L'état de polarisation appliqué en entrée au polariseur est généralement arbitraire. Le polariseur fait
sortir de la fibre par couplage les polarisations in-
désirées et ne permet qu'à de la lumière ayant une polarisation choisie et souhaitée de se propager dans la fibre. Le brevet précité décrit un polariseur à fibre optique comprenant une longueur de fibre optique montée dans une gorge incurvée dans un substrat en quartz. Le substrat et une partie de la fibre optique sont meulés et polis pour enlever une partie de la gaine de la fibre afin de former une région d'interaction. La partie de la fibre se trouvant dans la gorge est incurvée de façon convexe, telle que vue en regardant vers la surface polie. Le cristal biréfringent est monté sur le substrat au-dessus de la région de l'interaction, à proximité étroite du coeur de la matière de la fibre optique. Le cristal est disposé de façon à couper partiellement le trajet de la lumière se propageant dans le coeur de la fibre optique afin qu'un couplage par champ évanescent fasse passer la lumière, ayant des polarisations indésirées, de la fibre optique
dans le cristal.
Dans les systèmes antérieurs pour une commande active de la polarisation dans des capteurs de rotation à
fibre optique, il était nécessaire d'utiliser des polari-
seurs faisant passer la lumière ayant la polarisation souhaitée, tout en rejetant les composantes de polarisation indésirées dans un direction non colinéaire avec la fibre de sortie. Dans de tels systèmes, l'état de polarisation souhaité est maintenu par un réglage de la biréfringence de
la fibre au moyen d'un dispositif de commande de polarisa-
tion, à un état qui minimise l'intensité du signal non colinéaire éjecté. Pour maintenir l'état de polarisation demandé, un effet de biréfringence compensatoire doit être induit dans la boucle de détection du capteur de rotation à fibre optique. Cette technique antérieure exige un polariseur complexe, un matériel supplémentaire de photodétection et des circuits électroniques complexes de
commande pour produire les signaux de réaction demandés.
Une commande de polarisation est également
utilisée dans des sytèmes de communications ou de transmis-
sions cohérentes à fibre optique, dans lesquels le signal porteur provient d'un laser à semiconducteur à grande longueur de cohérence. Le signal est transmis sous la forme
d'une modulation appliquée en tant que variations d'ampli-
tude, de fréquence ou de phase dans le support optique.
Dans un récepteur optique hétérodyne, la lumière provenant de la fibre de transmission et la lumière provenant d'un laser oscillateur local sont mélangées pour générer une fréquence intermédiaire qui tombe habituellement dans la bande des micro-ondes. Les techniques de microondes classiques sont alors utilisées pour démoduler le signal de
fréquence intermédiaire.
Les états de polarisation des deux ondes lumineuses interférentes doivent être adaptés au mélangeur
afin que l'on conserve la sensibilité optimale du signal.
Si l'on utilise une fibre optique monomode ordinaire, ne préservant pas la polarisation, en tant que milieu de transmission, la biréfringence présente dans une telle
fibre donne alors naissance, en général, à une désadapta-
tion de l'état de polarisation entre les deux ondes lumineuses en interférence au photodétecteur. L'importance de la désadaptation est instable avec le temps pour les raisons décrites ci-dessus dans le cas du capteur de rotation à fibre optique. Pour conserver l'adaptation
nécessaire de l'état de polarisation, un effet de biréfrin-
gence compensatoire doit être induit dans l'oscillateur local ou dans les branches de signal du récepteur. Le système de commande actif de polarisation utilisé dans le capteur de rotation à fibre optique peut être utilisé pour
produire la biréfringence compensatoire.
Les techniques antérieures de commande de polarisation, lorsqu'elles sont utilisées dans des sytèmes de communications cohérentes à fibre optique, nécessitent un dispositif de commande actif de polarisation dans chaque branche de fibre qui mène au coupleur à 3 dB et à un ou
deux polariseurs, suivant que l'on utilise ou non l'ap-
proche à mélangeur équilibré. Les polariseurs pourraient, en variante, être remplacés par un coupleur à maintien de
polarisation. Un autre procédé pour surmonter la désadapta-
tion de l'état de polarisation utilise un récepteur sensible à la polarisation, un diviseur de faisceau à polarisation optique volumique et deux jeux de détecteurs électroniques. Si l'approche à mélangeur équilibré est utilisée, le nombre de composants double alors. Toutes ces techniques antérieures de commande de polarisation font appel à des nombres de composants, à une complexité et à
des coûts élevés excessifs.
Mohr, F. A. et Scholz, U. "Polarization Control for an Optical Fiber Gyroscope", Fiber Optic Rotation and Related Technology, Springer Verlag, 182, pages 163-168 décrivent une forme de réalisation à optique volumineuse d'un système pour la propagation d'un signal optique d'une polarisation choisie dans une fibre optique. L'appareil comprend une fibre optique, un séparateur de faisceaux à polarisation destiné à produire un signal optique de sortie à partir de la fibre optique, un photodétecteur, deux éléments piézoélectriques de pincement de fibre et une électronique de réaction. Le diviseur ou séparateur de faisceaux à polarisation prélève de la fibre optique à la fois de la lumière ayant la polarisation souhaitée et de la lumière ayant la polarisation non souhaitée. Après que le signal prélevé sur la fibre a été polarisé, il arrive sur le photodétecteur qui produit un signal électrique d'erreur
représentatif de la polarisation non souhaitée. L'électro-
nique de réaction comprend deux circuits intégrés propor-
tionnels de commande qui attaquent les éléments piézoélec-
triques de pincement de la fibre. Les circuits de commande sont modulés par des signaux en quadrature provenant d'un
oscillateur à quadrature qui produit deux signaux oscil-
lants déphasés de r/2.
Le brevet des Etats-Unis d'Amérique
N 4 753 507 décrit un dispositif de pincement de compres-
sion de fibre qui comprend un bâti appliquant une précharge à une fibre optique afin de permettre une variation de la
biréfringence en augmentant ou en diminuant la précharge.
La fibre optique et un transducteur piézoélectrique sont retenus dans le bâti, et une source de tension est connectée au transducteur piézoélectrique pour régler la force appliquée à la fibre, ce qui règle les indices de
réfraction de la fibre au moyen de l'effet photoélastique.
Il est également décrit dans le brevet N 4 753 507 précité trois dispositifs de pincement ou de compression de fibre agencés en ligne sur la longueur d'une fibre optique afin d'ajuster la polarisation de la lumière guidée par la fibre. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 4 729 622, N 4 725 113 et N 4 695 123 décrivent tous des systèmes de commande de polarisation de fibre optique qui comprennent un polariseur et un système de dispositifs de pincement de fibre. Le polariseur fait sortir de la fibre optique, par couplage, la lumière de la polarisation non souhaitée. La lumière sortie par couplage de la fibre arrive sur un photodétecteur qui produit un signal électrique utilisé pour commander les dispositifs de pincement de la fibre. Ces dispositifs sont actionnés pour produire la polarisation appliquée au polariseur qui minimise l'intensité de la lumière sortant par couplage de
la fibre.
Le brevet N 4 389 090 décrit un dispositif de commande de polarisation d'une fibre optique qui comprend des tronçons de fibre enroulés autour de trois bobines. Les bobines peuvent être tournées sur un axe commun afin d'ajuster la polarisation de la lumière guidée par la fibre. L'invention surmonte les difficultés des systèmes antérieurs de commande active de polarisation en utilisant une modulation bidimensionnelle du dispositif de commande de polarisation. Les avantages de l'invention sont obtenus sans qu'il soit nécessaire d'utiliser une fibre
coûteuse maintenant la polarisation.
L'invention utilise des signaux de réaction de
polarisation pour corriger des erreurs d'état de polarisa-
tion dans un capteur de rotation à fibre optique par modulation orthogonale de deux blocs de transducteurs à biréfringence situés à l'intérieur de la boucle de détection de rotation. La présente invention a pour avantage d'éviter l'utilisation de polariseurs doubles de
sortie, plus complexes et coûteux.
L'invention utilise des signaux de réaction de
polarisation pour corriger des erreurs d'état de polarisa-
tion dans des systèmes de communications cohérentes à fibre optique par une modulation orthogonale de deux blocs de transducteur à biréfringence situés soit dans les circuits de communication, soit dans les branches de signaux de l'oscillateur local au récepteur. La présente invention a donc pour avantage de réduire la complexité par rapport à d'autres systèmes, tout en permettant un élargissement
notable de la largeur de bande des données de communica-
tion. Un système conforme à l'invention, destiné à commander la polarisation d'une lumière guidée par un guide d'onde optique, comporte des moyens destinés à régler la biréfringence du guide d'ondes optique comprenant un premier transducteur et un deuxième transducteur disposés de façon à agir sur le guide d'ondes optique suivant des axes parallèles, et un troisième transducteur situé sur un axe qui est placé entre les axes parallèles et qui en est décalé angulairement de 45 . L'invention comprend en outre des moyens destinés à appliquer un premier signal de commande à chacun des premier et deuxième transducteurs, et des moyens destinés à appliquer un second signal de commande au troisième transducteur, les premier et second signaux de commande étant en quadrature dans le temps. Le système comprend des moyens destinés à former un signal électrique représentatif de l'intensité de la lumière guidée par le guide d'ondes optique et des moyens destinés à traiter le signal électrique pour former un signal d'erreur représentatif de différences entre l'état de polarisation de la lumière guidée par le guide d'ondes
optique et un état de polarisation souhaité et prédéter-
miné. L'invention comprend des moyens destinés à combiner le signal d'erreur avec les premier et second signaux de commande afin de minimiser la différence entre l'état de polarisation de la lumière guidée par le guide d'ondes
optique et l'état de polarisation souhaité.
Chacun des transducteurs incorporés dans le système selon l'invention comporte avantageusement un élément piézoélectrique de pincement ou de compression de fibre qui ajuste la biréfringence du guide d'ondes optique
au moyen de l'effet photoélastique.
Le système conforme à l'invention peut comporter en outre un polariseur agencé de façon à produire une polarisation de référence dans le guide d'ondes optique. Le système peut également comporter un premier oscillateur destiné à produire le premier signal de commande, des premiers moyens destinés à amplifier le premier signal de commande, un second oscillateur destiné à produire le signal de commande, des seconds moyens destinés à amplifier le second signal de commande, et des moyens destinés à produire une commande de gain indépendante pour
les premiers et seconds moyens d'amplification.
Le système de commande de polarisation conforme à l'invention comporte en outre avantageusement un détecteur sensible à la phase, à deux canaux, qui réagit à la fois à des signaux en phase et à des signaux en
quadrature pour démoduler le signal électrique représen-
tatif de l'intensité de la lumière guidée par le guide
d'ondes optique.
La présente invention comprend en outre un capteur de rotation à fibre optique formé de façon à comprendre le dispositif de commande de polarisation décrit ci-dessus. Le capteur de rotation à fibre optique selon l'invention comporte une longueur de fibre optique formée de façon à comprendre une boucle de détection, des moyens destinés à introduire des ondes optiques se propageant en sens contraire dans la boucle de détection, des moyens destinés à traiter les ondes optiques se propageant en sens contraire pour produire un signal représentatif d'une rotation de la boucle de détection et des moyens destinés à traiter le signal représentatif d'une rotation de la boucle de détection afin de commander la polarisation des ondes lumineuses se propageant en sens contraire. Le capteur de rotation à fibre optique selon l'invention peut comporter en outre un polariseur agencé de façon à produire une polarisation de référence pour les ondes optiques se
propageant en sens contraire.
La présente invention comprend aussi un système de communications optiques cohérentes qui comporte le système de commande de polarisation décrit ci-dessus. Le système de communications optiques cohérentes selon l'invention comprend des moyens destinés à produire un premier signal optique qui comprend un signal optique porteur auquel est superposé un signal de données. Le système de communications optiques cohérentes comporte en outre des moyens destinés à produire un second signal optique pour la démodulation du signal de données et des moyens destinés à mélanger optiquement les premier et second signaux optiques. Le système de communications optiques cohérentes comprend en outre des moyens destinés à traiter les signaux optiques mélangés afin de commander la polarisation du second signal optique pour que les premier et second signaux optiques aient la même polarisation
lorsqu'ils sont mélangés.
Le système de communications optiques cohéren-
tes peut comporter en outre un premier moyen de guidage d'onde optique destiné à guider le premier signal optique, un second moyen de guidage d'onde optique destiné à guider le second signal optique, un moyen à coupleur optique destiné à combiner les premier et second signaux optiques,
un moyen à détecteur destiné à produire un signal électri-
que représentatif de l'intensité des signaux optiques combinés et des moyens destinés à traiter le signal optique
pour produire un signal d'erreur représentatif de différen-
ces entre les états de polarisation des lumières guidées par les premier et second moyens de guidage d'ondes optique. La présente invention comprend en outre un procédé pour commander la polarisation d'une lumière guidée par un guide d'ondes optique qui consiste à commander la biréfringence du guide d'ondes optique en disposant un premier transducteur et un deuxième transducteur afin qu'ils agissent sur le guide d'ondes optique suivant des axes parallèles, et en plaçant un troisième transducteur sur un axe qui est disposé entre les axes parallèles et qui en est décalé angulairement de 45 . Le procédé consiste en outre à appliquer un premier signal de commande à chacun des premier et deuxième transducteurs et à appliquer un second signal de commande au troisième transducteur, les premier et deuxième signaux de commande étant en quadrature dans le temps. Le procédé consiste en outre à former un signal électrique représentatif de l'intensité de la lumière guidée par le guide d'ondes optique et à traiter le
signal électrique pour former un signal d'erreur représen-
tatif de différences entre l'état de polarisation de la lumière guidée par le guide d'ondes optique et un état de polarisation souhaité et prédéterminé. Le procédé consiste en outre à combiner le signal d'erreur avec les premier et second signaux de commande pour minimiser la différence entre l'état de polarisation de la lumière guidée par le
guide d'ondes optique et l'état de polarisation souhaité.
Le procédé peut comprendre en outre l'étape qui consiste à former chacun des transducteurs afin qu'il comporte un élément piézoélectrique de pincement ou de compression de fibres qui ajuste la biréfringence du guide d'ondes optique au moyen de l'effet photo-élastique. Le procédé peut également consister en outre à produire une
polarisation de référence dans le guide d'ondes optique.
Le procédé conforme à l'invention peut également comprendre les étapes qui consistent à produire le premier signal de commande à l'aide d'un premier oscillateur, à amplifier le premier signal de commande, à produire le second signal de commande à l'aide d'un second oscillateur, à amplifier le second signal de commande et à utiliser une commande de gain indépendante pour les premier
et second moyens d'amplification.
Le procédé selon l'invention consiste en outre avantageusement à détecter les signaux en phase et en quadrature à l'aide d'un détecteur sensible à la phase, à deux canaux, qui réagit à la fois à des signaux en phase et à des signaux en quadrature pour démoduler le signal électrique représentatif de l'intensité de la lumière
guidée par le guide d'ondes optique.
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 un schéma d'un système de commande de polarisation qui comprend une source laser, une fibre optique, un dispositif de commande de polarisation à trois blocs, un polariseur, un détecteur et un dispositif d'asservissement analogique à deux canaux; - la figure 2 est un graphique dans trois dimensions du signal de sortie du capteur de rotation à fibre optique en fonction des tensions appliquées à deux blocs de transducteurs à biréfringence dans un dispositif de commande de polarisation utilisé avec une boucle de détection; - la figure 3 est une représentation graphique du signal de sortie de la figure 2 en fonction de la tension appliquée à l'un des transducteurs à biréfringence lorsque l'autre transducteur à biréfringence est ajusté pour une lumière maximale de sortie; - la figure 4 est un schéma illustrant un capteur de rotation à fibre optique qui comprend une commande active de polarisation; - la figure 5 est un schémaillustrant un système de communications cohérentes à fibre optique qui comprend un récepteur hétérodyne optique à photodétecteur unique avec une commande active de polarisation; - la figure 6 est un schéma illustrant un système de communications cohérentes à fibre optique qui comprend un mélangeur équilibré, un photodétecteur double, un récepteur hétérodyne optique avec une commande active de polarisation; - la figure 7 est une vue en perspective d'un dispositif de commande de polarisation du type à bobines, ajusté manuellement, pour commander la polarisation de la lumière dans une fibre optique; - la figure 8 est une vue en perspective d'un dispositif de commande de polarisation à trois blocs, à commande piézoélectrique, induisant des contraintes;
- la figure 9 est une coupe partielle schémati-
que d'un polariseur destiné à polariser une lumière guidée par une fibre optique; et - la figure 10 est un schéma illustrant un modulateur acoustooptique qui peut être utilisé pour
décaler la fréquence de la lumière.
En référence à la figure 1, un servo-système 20 de commande de polarisation comprend un dispositif 22 de commande de polarisation, une boucle 24 de capteur à fibre
optique, un polariseur 26 et un circuit électronique 28.
Une source de lumière 30, qui peut être un laser à semiconducteur, produit un faisceau optique cohérent de polarisation E0 qui est appliqué en entrée à une fibre
optique 32.
Le faisceau de polarisation E0 est indiqué en entrée par la fibre optique 32 au dispositif 22 de commande de polarisation. En référence à la figure 8, le dispositif 22 de commande de polarisation peut comprendre trois éléments piézoélectriques 34, 35, 36 de pincement ou de compression de fibre. Des structures convenables pour les éléments piézoélectriques 34, 35 et 36 de pincement de
fibre sont montrées dans le brevet N 4 733 507 précité.
En référence encore à la figure 8, chacun des éléments piézoélectriques 34, 35, 36 de pincement de fibre
comprend un bâti 38 qui retient un actionneur piézoélectri-
que 40. La fibre optique 32 est retenue entre le bâti 38 et une extrémité de l'actionneur 40 afin que l'application d'une tension convenable à l'actionneur 40 règle la force transversale de compression que l'actionneur 40 applique à la fibre optique 32. L'application d'une force transversale de compression à la fibre optique 32 modifie les indices de réfraction du coeur de la fibre et ajuste ainsi la biréfringence de la fibre optique 32. Un ajustement de la biréfringence de la fibre optique 32 a pour effet d'ajuster la polarisation de la lumière propagée dans le tronçon sous
compression de la fibre optique 32.
Les trois éléments piézoélectriques 34, 35, 36 de pincement de fibre sont disposés à peu de distance les uns des autres sur la longueur de la fibre optique 32. Les éléments 34 et 36 de pincement de la fibre appliquent des forces parallèles de compression à la fibre optique 32. La force de compression que l'élément 35 de pincement applique à la fibre optique 32 est à 45 par rapport à la force appliquée par les éléments de pincement 34 et 36. Les trois éléments piézoélectriques 34, 35, 36 de pincement de fibre constituent un moyen destiné à convertir une polarisation arbitraire quelconque, appliquée en entrée au dispositif 22 de commande de polarisation, en une polarisation souhaitée
de sortie.
La polarisation du faisceau lumineux sortant du
dispositif 22 de commande de polarisation est désignée E1.
Le faisceau de polarisation E1 est indiqué en entrée à la boucle 24 de capteur à fibre optique, qui est formée dans la fibre optique 32. Le faisceau optique sortant de la boucle 24 à fibre optique peut ensuite être appliqué en entrée au polariseur 26 qui délivre en sortie un signal de polarisation E2. Le signal ayant la polarisation E2 arrive ensuite sur un photodétecteur 42 qui produit un courant électrique représentatif de l'intensité du faisceau
lumineux qu'il reçoit.
Le signal électrique de sortie du photodétec-
teur 42 est amplifié par un amplificateur 44. Le signal amplifié est ensuite appliqué en entrée à deux mélangeurs 46 et 48. Un signal 47 de modulation, qui dépend de cos (yt), est appliqué en entrée au mélangeur 46 et un signal 49 de modulation, qui dépend de sin (w t), est appliqué en entrée au mélangeur (48). Les signaux oscillatoires d'entrée des mélangeurs 46 et 48 sont donc en quadrature l'un par rapport à l'autre. Les signaux de sortie des mélangeurs 46 et 48 sont appliqués en entrée à des intégrateurs 39 et 41, respectivement. Les signaux intégrés de sortie des intégrateurs 39 et 41 sont appliqués en
entrée à des circuits 43 et 45 de sommation, respective-
ment. Le circuit 43 de sommation reçoit aussi le signal cos (Lot) appliqué en entrée au mélangeur 46, tandis que le circuit 45 de sommation reçoit le signal sin (ait) qui est
appliqué en entrée au mélangeur 48.
La matrice de Jones pour le premier élément piézoélectrique 34 de pincement ou de compression est
1 0
PC1 (1)
0 ei4l
éu5 eLa rotation de 45 entre les éléments piézo-
électriques 34 et 35 de pincement est modélisée par la matrice de Jones
1 1
PC2= (2)
-1 1
--17
La matrice de Jones du second élément piézo-
électrique de pincement est
1 0
PC3= ' (3)
0 ei
La rotation de 45 entre les éléments piézo-
électriques 35 et 36 de pincement est modélisée par la matrice de Jones
| 1 -1
217 2T17
PC4= (4)
La matrice de Jones du troisième élément piézoélectrique 36 de pincement est
1 0
(5) 0 ei4t Les angles 01 et 02 sont les biréfringences ou différences de phase induites de la lumière dans la fibre optique 32 dans les trois éléments piézoélectriques 34, 35, 36. Les premier et troisième éléments 34 et 36 de pincement de fibre sont connectés électriquement en parallèle afin que les biréfringences qu'ils introduisent dans la fibre optique 32 soient nominalement égales. Il est important de noter que, bien que 01 soit la différence de phase optique induite entre les coordonnées x et y, o x est l'axe passant du polariseur 26, et puisse être considérée comme une phase absolue additionnée à la direction y de la lumière, 02 n'est pas lié de façon aussi simple aux axes x ou y. L'angle 02 peut être considéré comme étant une phase absolue additionnée à la lumière se propageant dans une direction tournée de 45 par rapport à la direction y. Bien qu'une équivalence puisse être établie entre <1 et la coordonnée y, aucune équivalence analogue ne peut être
établie entre 02 et la coordonnée x.
L'état de polarisation d'entrée E0 provenant de la source optique 30 peut être écrit de la manière suivante sous la forme d'une matrice de Jones (Cx eikxz) Eo = (6) (Cy eikyz) o la constante de propagation dans la j- ième direction est C 21nj (7) no et nj est l'indice de réfraction dans la j-ième direction. La matrice de Jones du polariseur 26 est
I1 0
P= | | (8)
lo es o e est le taux d'extinction d'amplitude du polariseur. Le taux d'extinction du polariseur 26 spécifie l'efficacité avec laquelle le polariseur élimine par filtrage le mode de polarisation indésiré, qui est le mode orthogonal pour des
capteurs de rotation à fibre optique.
L'état de polarisation E2 du faisceau lumineux arrivant au détecteur 42 découle d'une multiplication des matrices de Jones de tous les composants du servo-système de commande de polarisation par l'état de polarisation initial E0, ce qui donne: E2 = P*PC5'PC4'PC3'PC2'PC1*Eo (9)
PC51 = PC5-PC4-PC3-PC2-PC1 (10)
1 + ei(2 ei1-ei(41+2)
2 (11)
eil1- ei(0l+H2) ei2(l+ ei(2+(42) E1 = PC51 Eo (12) (Cx eikxz+ Cx ei(kxZ+2) + cy ei(kyZ+1) - Cy ei(kyZ+(1 +2)) i
= 2 | |(13)
(Cx ei(kxz+ l)Cx ei(kxz +1+2)+ cy ei(kyZ+2(l)+cy ei(kyz+2(l +42))
E2 = PE1 (14)
(Cx eikxz+cx ei(kxz+2) +Cy ei(kyZ+Ml) -Cy ei(kyZ+l+2))
12 (15)
2 (Cx ei(kxz+1)-cx ei(kxz+++12)+ Cy ei(kyz+24l)+cy ei(kyz+2l+ +2)) L'intensité au détecteur 42 est proportionnelle au module carré de l'onde E2, ce qui donne E2t E2= 1[(1+ 2)'(Cx2 + CY2)(1- F2)[(cx2-C)COS(2) + 2cxcy sin(kyz - kxz + 41) sin (216) On peut simplifier les équations en posant 1 = klvl et q2 = k2v2 o vj sont les tensions appliquées aux éléments piézoélectriques de pincement et k1 = 2rK1 et k2 = 2vK2 o Kj sont les fréquences spatiales de tension en périodes par
1 1
volt et K1 = et K2 =- o Xj sont les périodes spa-
Xtiales de tension en volts.X2
tiales de tension en volts.
La puissance moyenne au détecteur 42 en fonction des tensions appliquées est I(vlv2) = [(1 + + c2+ (1-ú2)RC2- Cy2)COS(c2.v2) + 2(1-s2)cxCy tn(kyz kxz + K1-v1) srn (1,2-v2)]. (17) On peut disposer la fibre optique 32 entre la source laser et le dispositif de commande de polarisation de manière que l'état de polarisation de l'onde arrivant au dispositif 22 de commande de polarisation donne cx = cy et ky = kx. Ceci peut être obtenu, par exemple, en choisissant ce segment de fibre afin qu'il s'agisse d'une fibre à haute biréfringence, ayant son axe de symétrie orienté à 45 par rapport au premier étage 34 du dispositif de commande de polarisation. La puissance moyenne devient alors I(vl,v) = [1+ s2 + (1- s2)sin(K1-v1) sin (K2-2)]. (18)
On décrira à présent l'application de l'inven-
tion à un capteur de rotation à fibre optique.
La figure 4 illustre un capteur 50 de rotation à fibre optique qui comprend un système de commande automatique de polarisation selon l'invention. Une source optique 52 applique un signal optique à une fibre optique 53 qui propage le signal jusqu'à un dispositif 54 de commande de polarisation de la source qui, avantageusement, comprend trois éléments piézoélectriques 56, 57, 58 de pincement ou de compression de fibre, similaires aux
éléments 34, 35, 36 de pincement de fibre décrits ci-
dessus. Le faisceau sortant du dispositif 54 de commande de polarisation de source est introduit dans un coupleur directif 59 de fibres optiques qui couple une partie du signal provenant de la fibre optique 53 dans une fibre optique 63. La lumière ne passant pas par couplage de la fibre 53 dans la fibre 63 est absorbée dans un piège 60 à lumière. Le signal se trouvant dans la fibre 63 se propage alors jusqu'à un polariseur 62 qui est illustré sur la figure 9. Le polariseur 62 peut être formé comme décrit dans le brevet N 4 386 822 précité. On peut utiliser d'autres types de polariseurs. En particulier, il n'est pas nécessaire de contrôler le faisceau éjecté du polariseur dans la présente invention. Par conséquent, l'invention peut être mise en pratique en utilisant un polariseur à fibre de York comme décrit dans l'article de Varnham et
collaborateurs, Optics Letters N 9, page 306, 1984.
Comme décrit dans le brevet N 4 386 822 précité, le polariseur 62 de la figure 9 peut être formé par montage de la fibre 63 dans une gorge à courbure convexe ménagée dans un substrat 70. Le substrat 70 et une partie centrale de la fibre 63 se trouvant dans la gorge
sont soumis à un rodage pour former des surfaces coplanai-
res optiquement planes dans la gaine de la fibre 63 et dans le substrat 70. Un cristal biréfringent 72 est monté sur les surfaces optiquement planes, à proximité étroite du coeur de la fibre 63. Le cristal 72 et la surface rodée de la fibre 63 forment le polariseur 62. Le champ évanescent de lumière dans la fibre 63 interagit avec le cristal 72 d'une manière qui dépend de la polarisation des ondes lumineuses. Une polarisation qui possède une vitesse d'onde plus lente dans le cristal 72 que dans la fibre 63 est éliminée de la fibre 63 et excite une onde volumique dans le cristal 72. Une polarisation ayant une vitesse d'onde plus élevée dans le cristal 72 que dans la fibre 63 reste guidée par le fibre 63. Les indices de réfraction du cristal sont tels que l'un des deux états de polarisation linéaire possibles dans la fibre 63 excite une onde volumique dans le cristal 72, tandis que l'autre état de
polarisation reste guidé par la fibre 63.
Le polariseur 62 peut également être formé comme décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique
N 4 666 235, N 4 695 123 ou N 4 725 113.
Le signal de sortie du polariseur 62 arrive ensuite sur un coupleur optique 80 qui divise le signal d'entrée provenant du polariseur 62 de façon égale entre la fibre 63 et une fibre 82. Le coupleur optique couple avantageusement l'énergie lumineuse entre les fibres 63 et
82 par l'intermédiaire d'un couplage par champ évanescent.
Le signal restant dans la fibre 63 passe à travers un
dispositif 84 de commande de polarisation.
La figure 7 montre une structure convenant à une utilisation dans la formation du dispositif 84 de commande de polarisation. Une structure convenable pour le dispositif 84 de commande de polarisation de la figure 7
est décrite dans le brevet N 4 389 090 précité.
En référence à la figure 7, le dispositif 84 de commande de polarisation comprend une embase 98 sur laquelle sont montés plusieurs blocs 99 à 102 orientés vers le haut. Plusieurs bobines 103, 104, 105, situées entre des blocs adjacents 99 à 102, sont montées tangentiellement sur plusieurs tiges 106, 107, 108, respectivement. Les tiges 106 à 108 sont alignées axialement entre elles et sont montées de façon à pouvoir tourner entre les blocs correspondants 99 à 102. Les bobines 103 à 106 sont globalement cylindriques et sont disposées tangentiellement aux tiges 106 à 108, les axes des bobines 103 à 105 étant perpendiculaires aux axes des tiges. La fibre 63, par exemple, passe dans des alésages axiaux des tiges 106 à 108 et est enroulée autour de chacune des bobines 103 à 105
pour former trois enroulements correspondants 109 à 111.
Les rayons des enroulements 109 à 111 sont tels que la fibre 63 est soumise à une contrainte pour former un milieu biréfringent dans chacun des enroulements 109 à 111. Les
trois enroulements 109 à 111 peuvent être tournés indépen-
damment les uns des autres autour des axes des tiges 106 à 108, respectivement, afin d'ajuster l'orientation de la biréfringence de la fibre 63 et donc de commander la
polarisation de la lumière la parcourant.
Le diamètre et le nombre de tours des enroule- ments 109 à 111 sont tels que les enroulements extérieurs 109 et 111 établissent un retard de phase d'un quart de longueur d'onde, tandis que l'enroulement central 110 établit un retard de phase d'une demi-longueur d'onde. Les bobines quartd'onde 109 et 111 commandent l'ellipticité de la polarisation, et la bobine 110 demi-onde commande la
direction de la polarisation.
La lumière introduite par couplage par le coupleur 80 dans la fibre 82 arrive sur un dispositif 120 de commande de polarisation, qui peut être sensiblement identique au dispositif 84 de commande de polarisation. La lumière passant par couplage dans la fibre 82 forme l'onde de sens inverse de celui des aiguilles d'une montre qui est appliquée en entrée à la bobine de détection du capteur 50
*de rotation à fibre optique.
La lumière sortant du dispositif 84 de commande de polarisation se propage dans la fibre 63 jusqu'à une lentille 122 qui focalise la lumière sur un modulateur acousto-optique 124 qui constitue un élément de décalage de fréquence à cellule de Bragg. Un capteur de rotation à fibre optique en boucle fermée, tel que le capteur 50 de rotation à fibre optique, peut comprendre un élément de décalage de fréquence à proximité du point o chacune des ondes se propageant en sens contraire est introduite dans la bobine de détection afin d'annuler la différence de phase entre elles, induite par une rotation. Le degré auquel les ondes doivent être ajustées en fréquence pour annuler le déphasage de Sagnac indique la vitesse de rotation de la boucle de détection. L'importance du décalage de fréquence peut être déterminée par une mesure du signal de commande électrique appliqué à l'élément de décalage de fréquence. L'utilisation de dispositifs de décalage de fréquence pour annuler le déphasage de Sagnac accroît fortement la gamme dynamique du capteur de rotation à fibre optique. Un modulateur acousto-optique à cellule de Bragg comprend habituellement un cristal qui est attaqué par un transducteur acoustique pour produire des ondes acoustiques. Les ondes acoustiques interagissent avec un
faisceau lumineux qui se propage à travers le cristal.
L'application de signaux de modulation au transducteur acoustique commande la fréquence Wm des ondes acoustiques du cristal. Les fronts d'ondes acoustiques dans le cristal fonctionnent à la manière d'un réseau de diffraction en mouvement, qui transmet une première partie du faisceau optique incident et réfléchit une seconde partie. Si le signal optique a une fréquence c), la partie du faisceau réfléchie par la cellule de Bragg a une fréquence wo + 0Om, et la partie transmise du faisceau a la fréquence
originale C o.
La figure 10 illustre une structure préférée pour le modulateur acoustooptique 124. Le modulateur acousto-optique 124 comprend un cristal 126 ayant un transducteur acoustique 128 fixé à une surface 130 de ce cristal. Le cristal 126 présente deux surfaces 132 et 134 qui sont inclinées par rapport à la surface 130. Les surfaces 130, 132 et 134 sont avantageusement formées de manière à être optiquement planes sans irrégularités ou
stries superficielles.
En référence encore à la figure 10, le faisceau incident est parallèle à la surface 130 de manière à atteindre la surface 132 sous un angle I' par rapport à la normale à la surface 132. La surface inclinée 132 est rectifiée avec précision et utilise l'indice de réfraction du cristal 128 pour compenser l'angle de Bragg. Une partie de la lumière incidente pénètre par diffraction dans le cristal et interagit avec les fronts d'ondes acoustiques produits par le transducteur acoustique 128. Une partie du faisceau acoustique dans le cristal est diffractée à partir du front d'onde acoustique et est dirigée vers la surface 134. Le faisceau optique est réfracté à la surface 134 et émerge du cristal colinéairemenet avec le faisceau incident. Le modulateur acousto-optique 124 est attaqué par un oscillateur 140 qui est avantageusement calé de façon à appliquer une fréquence fixe de modulation. Le signal de modulation provenant de l'oscillateur 140, dont une sortie est connectée à l'unité 160 de traitement de signaux, est amplifié par un amplificateur 142 avant d'être
appliqué au transducteur acoustique 128.
Le signal lumineux de sortie du modulateur acousto-optique 124 arrive ensuite sur une lentille 144 qui focalise le faisceau sur une extrémité d'une fibre optique
dans laquelle est formée une bobine 152 de détection.
Le faisceau de sortie du modulateur acousto-optique 124 forme l'onde de sens des aiguilles d'une montre dans le capteur 50 de rotation à fibre optique comme vu sur la figure 4. Après avoir parcouru la bobine 150 de détection, l'onde de sens des aiguilles d'une montre atteint alors un dispositif 156 de commande de polarisation de boucle qui est avantageusement un dispositif de commande automatique de polarisation conforme à la présente invention telle que décrite ci-dessus en référence à la figure 1. Le dispositif 156 de commande de polarisation de boucle et le dispositif 54 de commande de polarisation de source sont connectés à
une unité 160 de traitement de signaux.
Après avoir parcouru l'unité 156 de commande de polarisation de boucle, l'onde dans le sens des aiguilles d'une montre atteint alors une lentille 170 qui dirige le faisceau à une surface 172 d'un modulateur acoustooptique
174. Le modulateur acousto-optique 174 est formé similaire-
ment au modulateur acousto-optique 124. Il est attaqué par un oscillateur 176 commandé en tension dont une sortie est connectée à l'unité 160 de traitement de signaux. Le signal de sortie de l'oscillateur 176 commandé en tension est une tension ayant une fréquence qui dépend de la tension d'attaque appliquée à l'entrée de cet oscillateur 176. La fréquence appliquée à l'oscillateur 176 commandé en tension est ajustée pour annuler le déphasage de Sagnac entre les ondes dans le sens des aiguilles d'une montre ou en sens contraire.
Le faisceau de sortie du modulateur acousto-
optique 74 arrive sur une lentille 180 qui focalise l'onde dans le sens des aiguilles d'une montre sur la fibre optique 82, laquelle guide la lumière jusqu'au dispositif de commande de polarisation. Le dispositif 120 de commande de polarisation est similaire au dispositif 84 de
commande de polarisation.
L'onde dans le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre parcourt le même trajet que l'onde dans le sens des aiguilles d'une montre, mais dans le sens opposé. Les ondes sont déphasées si la bobine 152 de détection tourne autour de son axe sensible. Les ondes se combinent dans le coupleur 80, ce qui amène les ondes à former un diagramme d'interférences dans la fibre 63. Les ondes en interférence sont guidées vers un photodétecteur qui forme un signal électrique représentatif de
l'intensité optique du diagramme d'interférence.
Le signal électrique de sortie du photodétec-
teur 200 est amplifié par un amplificateur 202 puis filtré par un filtre 204 qui élimine les secondes harmoniques du signal. Le signal de sortie du filtre 204 est ensuite envoyé à un détecteur 206 sensible à la phase, qui reçoit un signal de référence d'un générateur 208 de signal. Le signal de sortie du détecteur 208 sensible à la phase est ensuite intégré dans un intégrateur 210. Le signal de référence provenant du générateur 208 de signal et le signal de sortie de l'intégrateur 210 sont appliqués en entrée à un amplificateur 212 de sommation. L'amplificateur 212 de sommation applique la tension d'attaque à l'oscil- lateur 176 commandé en tension. La tension d'attaque de l'oscillateur 176 est ajustée pour produire un décalage de fréquence dans le modulateur acousto-optique 174 afin
d'annuler le déphasage de Sagnac.
Un échantillon de données collecté par un échantillonnage de la seconde harmonique du capteur 50 de rotation à fibre optique, montré sur la figure 4 en fonction des tensions appliquées au dispositif 156 de
commande de polarisation, est représenté sur la figure 2.
Les données sont bien décrites par l'équation (18) obtenue ci-dessus. Sur la sphère de Poincaré, la crête de la structure d'intensité correspond à un état de polarisation bien défini. Cet état de polarisation est défini par la nécessité d'élever au maximum le signal de sortie en commandant l'état de polarisation sur le côté de sortie du polariseur afin qu'il s'aligne avec la direction définie par le polariseur. Pour de petites perturbations de la biréfringence ou différence de phase d'axe rapidelent, les changements d'état de polarisation résultant pour l'un quelconque des axes sont orthogonaux par rapport à l'autre axe. On représente habituellement ceci en notant que, lorsque l'une des phases approche nr/2, l'autre phase est indépendante de la première phase montrée sur la figure 3 pour e = 0. Par conséquent, l'état de polarisation souhaité peut être maintenu en mettant en oeuvre un asservissement à courant alternatif à deux canaux. En revenant à la structure de la figure 2, on peut voir qu'en appliquant des modulations de cosinus en phase (sinus) et en quadrature (cosinus) aux deux blocs de transducteurs à biréfringence, on obtient un mouvement elliptique autour de la crête de la structure lorsque les composantes continues sont à la position correspondant au maximum. Similairement, l'état de polarisation sur la sphère de Poincaré oscille autour du réglage optimal au point maximal de sortie et l'action elliptique a pour résultat un signal de sortie constant. Ailleurs qu'à la crête du signal de sortie, la fondamentale des fréquences de modulation du dispositif de commande de polarisation peut être minimisée par une modulation du signal de sortie du modulateur, puis multiplication des signaux I et Q résultants par un gain de boucle d'asservissement, et leur retour en tant que corrections apportées aux réglages en continu des tensions des transducteurs. Une modulation signifie ici la variation ou l'étagement sinusoïdal des tensions des transducteurs du
dispositif de commande de polarisation.
On décrira à présent un procédé de mise en oeuvre. Le développement présenté ci-dessous montre mathématiquement comment la servo-commande de polarisation selon l'invention fonctionne pour procurer les avantages par rapport à l'art antérieur. Dans cette analyse, la coordonnée v1 de tension est le canal en phase (I) et la coordonnée v2 de tension est le canal en quadrature (Q), de sorte que les tensions peuvent être définies explicitement de la manière suivante: v1 = tension du transducteur à biréfringence en phase; et v2 = tension du transducteur à biréfringence en quadrature de phase. A présent, on applique des signaux de modulation aux tensions v1 et v2 de manière que: v1 = B1 sin o1t + Vlhors (19) v2 = B2 cos WJ2t + V2hors (20) o B1 et B2 sont les amplitudes de modulation; W31 et WO2 sont 2r fois les fréquences de modulation; t est le temps; et Vihors et V2hors sont les composantes continues
appliquées des tensions des transducteurs.
L'intensité en phase au détecteur devient alors I(V1,.v2) = 2{1 +Eú2+ (1 s2) sin (KBsiSn O1t +K1V1 hors) sin (i2B2Sin _l)2t + K2v2 hors) (21) Soit à présent C1 = COS (klVlhors) S1 = sin (klVlhors) C2 = cos (k2V2hors) S2 = sin (k2V2hors ! = klB1 a2 = k2B2 En utilisant alors l'égalité trigonométrique bien connue sin (A+B) = sin A cos B + cos A sin B, on obtient I(vl,V2) = 2 {1 +ú2+ (1 -s2) [sin(czlsin 0)1t)C1 +cos(oesin 0o1t) S1]' [sin((2cos 0)2t)C2 + cos(cc2cos 0)2t)S2] (22) ou I(v1,v2) = 2---{1 + ú2 + (1 -.2) [C1C2sin(cclsin e)1t) sin(cc2cos 0)2t) + ClS2sin((ccsin oelt) Cos(:2coS 0)2t) + SiC2cos(czlsin 0e1t)' sin((a2cos o.2t) + S1S2cos((z1 sin 01t)cos(oL2cOs 0)2t)]} (23) Une utilisation des définitions des fonctions de Bessel donne cos(asine) = Jo(a) + 2(J2(ca) cos 28 + J4(cz) cos 40 +...)
sin(asin0) = 2(Jl(a) sin 0+J3(cc)sin 30+...
cos(acos0) = Jo(a) - 2(J2(ca) cos 20 - J4(cz)cos 40 +...)
sin((zcos0) = 2(J1(o) cos 0- J3(x)cos 30 + Js(a)cos 50...
I(v,v2) = 2 {1+s2 + (1-F2) [C1C2[2(J1(al)sin elt + J3(al)sin 3olt +...)] *[2(J1(a2) cos co2t - J3(a2)cos 3(o2t + J5(a2)cos 5oe2t -.)] + CIS2[2(J1(al) sin olt + J3(al)sin 3ò1t±)] *[Jo(a2) - 2(J2(a2) cos 2o2t J4(a2)cos 4o,2t +...)] + S1 C2[Jo(cl) + 2(J2(a1) cos 2w1t + J4(al)cos 4co1t +...)] *[2(J1 (cc2) cos (e2t - J3(a2)cos 3o,2t + J5(a2)cos 5co2t -.. .)] S1 S2[Jo(CC) + 2(J2(al) cos 2c1t + J4(al)cos 4o1t +...)] [JO(a2) 2(J2(a2) cos 2o,2t -J4(a2)cos 4co2t +)]]} (24) L'équation (24) décrit le signal de sortie du système de
commande de polarisation au détecteur 42 de la figure 1.
On obtient le gain d'asservissement dans le développement suivant. Le développement commence par une démodulation de l'équation (24) en la multipliant par sin Q)t1 et en l'intégrant sur la période de comptage. La période de comptage dérive de l'application particulière pour laquelle le dispositif de commande de polarisation est utilisé. Dans un système de démodulation synchrone numérique, la période d'intégration devrait être aussi un
nombre entier de périodes n de la fréquence de modulation.
Dans le cas du capteur de rotation à fibre optique montré sur la figure 4,n = 1 est choisi pour le dispositif de commande de polarisation de source et n = 9 est choisi pour le dispositif de commande de polarisation de boucle. Ces valeurs ont été choisies pour minimiser la coïncidence d'harmoniques d'ordre plus élevé, qui pourrait provoquer un couplage parasite entre les deux dispositifs
de commande de polarisation.
Soit à présent V= période d'intégration = période de comptage ( % 1 seconde pour le capteur de rotation à fibre optique). On utilise alors les définitions et les remplacements suivants:
(= = o2= o2 = 2 -
0=oet d=oedt dO dt=-- 0() = o=27n OLPC = 9%Ospc Par consequent, OLPc = 9esPc et o n2i o) L' intensité du signal en phase est alors donnée par 1 'intégrale n22t I(V1,V2) = c2 Jde [(1+e2) sinO + 4(1-e2)C1C2 [J1(cfiJjQ(a2)cosO sin2O +J1 ((c2)J3((q) cose sin3O sinO - Jl (cl)J3(a2) cos 30 sin2O -J3(al)J3(a2)cos30 sin3e sine + Jl (al)J5(c2) cos5e sin20 + J3(cq)Js(a2)cos5e sin3e sine] +2(1-s2)CIS2 [Jo(a2)Jl((al)sin2e + Jo(a2) J3(az) sin30 sinO -2J1 (al)J2(a2) cos20 sin2e - 2J2(a2)J3(ao) cos20 sin30 sinO +2Jl (at)J4(a2) cos40 sin2e + 2J3(cq)J4(a2) cos4e sin3e sine] + 2(1s2) C2Sl[Jo(al)J1(ct2) cosO sinO + 2J1((a2)J2((q) cos20 cosO sinO + 2J1 (a2)J4(al)cos4e cosO sinO -Jo(cLfJ3(a2)cos30 sinO -2J2(cLl)J3(a2) cos2e cos3O sinO - 2J3(a2)J4(az)cOS38 cos4e sinO + Jo(al)Js(a2) cos5e sinO + 2J2(ax)J5(a2)cos2e cos5e sine + 2J4(afiJs(a2)cos40 cos5e sine] (1 -e2)S1 S2 [Jo(ai)Jo(a2)sine + 2Jo(a2)J2(a1)cos2e sine + 2Jo(a2)J4(al)cos4e sine2Jo(al)J2(a2)cos20 sinO - 4J2(ox)J2(a2) cos2 20 sine - 4J2(cz2)J4(al) cos2e cos4e sine + 2Jo(al)J4(a2)cos4e sinO + 4J2((al)J4(a2)cos2e cos4e sinO + 4 J4(cl)J4((2) cos2 40 sine]] (25) Une exécution de l'intégration donne I(vl,V2) (d (1_-2)C1S2[J1(al)Jo(co2) +J1((al)J2(CC2) (26 -J3(Ctl) J2(Co2) - J3(Ol)J4(X2)]- (26) Les coordonnées I et Q sont à présent redéfinies par rapport à une crête particulière de l'équation (18) de manière que Av 1 = vI( - Vlhors àv2 = V20 - V2hors o
K1v10 = (2n+1)-
et
1c2V20 = (2n+1).
L'équation (18) devient alors I(Avl,Av2) = -2 [1+c2 (1-82) coS(K1IAVI) COs(l2Av2)]. (27) Pour des signaux d'erreur faible àvl, Av2 C1 = sin (k1 Av,) (k1klvl) et
S2 = cos (klAVlV) 1.
Le signal en phase I d'une petite erreur pour le cas continu est c2in Il(Vl,V2) = (1--2)CKlAVI Co [Jl (al)Jo(a2) + Jl (xl)J2(2) - J3(Ocl) J2(ax2) - J3(xl)J4( 2)1 (28) Le gain de la boucle d'asservissement est calculé d'après l'équation (28): AVi G1 = ItW,
1 11MY,2)
AVl (29) - (1-_2)v1 V1[J1(al)Jo(O2)+l.J1 (l)J2(U2)-J3(al)J2(a2)-J3(Xl) J4(a2)] Dans le cas d'e tendant vers zéro, le gain devient X1
G1_ X1 (30)
( 2c22 [J (cl)Jo(cc2)+J1 (al)J2(c2)-J3(acl)J2(a2)-J3(Ol)J4(C2)]) qui devient _ xl G1 - X1ci (31) IC27CG1l {c2 (l)Jo(2)_l.1(el)J2(CC2)_J3(al) J2(a2)_j3(el)J4(2)]} Pour le capteur de rotation à fibre optique dans lequel deux boucles d'asservissement numérique discrètes sont réalisées, l'intégration dans le temps est remplacée par une sommation de valeur séparées par la période d'échantillonnage At, de manière que l'intégrale devienne M ct M i r (32) Z S(mAt)) = JS(t)dt (32) m=1 At o S(m & t) est le signal discret ou échantillonné et S(t)
est le signal continu. Le temps r = M a t = période d'in-
r
tégration ou de comptage de sorte que At = -. La fré-
M 2w quence W peut être écrite sous la forme b = -, o T est
T
la période de la modulation de commande de polarisation. Le nombre M peut être écrit sous la forme M = NCPC.NPAS o NCPC = n = nombre de périodes de modulation par période de r comptage = -. Le nombre est n = 1 pour le dispositif 54 de T polarisation de source et n = 9 pour le dispositif 156 de commande de polarisation de boucle. NPAS est le nombre d'échantillons discrets dans l'onde de modulation et il est de 954 pour le dispositif 54 de commande de polarisation de source et de 106 pour le dispositif 156 de commande de polarisation de boucle. Le nombre de comptes par seconde,
1
NCPS, peut être écrit sous la forme -. Par conséquent, T l'intervalle de temps it est At_ _ _ _ _ _ T At = NCPC-- NAS --NCPS = NPAS et 2%n
-
L'intensité au détecteur est alors Il(V1,V2) = At t(1--2) 2 ' [J1 (cl) Jo(a2) + J1 (al)J2(CC2) - J3((l)J2(c2) - J3(cq)J4(c2)] (33)
2= À2 NPAS * n (1_s2) 1 À.
[J1 (Ol)Jo(c(2) + Jl (î1)J2(C2) - J3(al)J2(cc2) - J3(ccl)J4(a2)]. (34)
Pour le dispositif 54 de commande de polarisa-
tion de source, NPAS = 954 et n = NCPC = 1. Pour le dispositif 156 de commande de polarisation de boucle, NPAS
= 106 et n = NCPC = 9. Le gain de la boucle d'asservisse-
ment pour av2 et e, tous deux proches de zéro, est alors Xl.
Gi {c21954[J1 (aOl)Jo(cc2)+J1 (Cl)J2(a2)-J3(ccl)J2(a2)-J3(oq)J4(2)]} (35-
de manière que Lv1 = G1 Il. Les expressions similaires s'appliquent au canal en quadrature de manière que Av2 =G2 12' L'équation 35 est utilisée pour calculer le gain de la boucle d'asservissement dans un programme de commande de polarisation monocarte. Le programme additionne les quantités Av1 et av2 à Vlhorset V2hors pour que lon obtienne l'état de polarisation souhaité défini par (v10, V20). Les décalages mis à jour Vlhors et V2hors sont ensuite délivrés en même temps que le signal de modulation (équations 19 et 20) à une paire de convertisseurs
numériques/analogiques (non représentés). Ces convertis-
seurs numériques/analogiques appliquent à leur tour des tensions aux tranducteurs à biréfringence. Au moment o la biréfringence dans la fibre change avec le temps, les signaux d'erreur sont générés et provoquent un retour
rapide de l'état de polarisation à la condition optimale.
Les fréquences de modulation utilisées dans le capteur de rotation à fibre optique peuvent être de 1 Hz pour le dispositif 54 de commande de polarisation de source et de 9 Hz pour le dispositif 156 de commande de polarisation de boucle. Le temps de retard de la boucle d'asservissement, égal à une seconde, est suffisamment court pour suivre de façon fiable la lente dérive de la biréfringence de la fibre. Les forces relatives des signaux de modulation d'état de polarisation et du signal de modulation de phase non réciproque du capteur de rotation à fibre optique sont déterminées en partie par les amplitudes B1 et B2 de la modulation du transducteur à biréfringence et par l'écart
de phase de crête du modulateur de phase non réciproque.
Dans le cas de deux dispositifs de commande de polarisation modulés (quatre dimensions), le point de sensibilité du déphasage non réciproque de crête correspond à une réduction d'amplitude de moins de 10% de la seconde harmonique de la fréquence de modulation de phase non réciproque du capteur de rotation à fibre optique. Le point de sensibilité de déphasage non réciproque de crête du cas à deux dimensions donne une réduction d'amplitude 46% dans le signal de seconde harmonique. La modulation a également un effet sur la précision du signal d'erreur du dispositif de commande de polarisation. On décrira à présent une application de l'invention à un système de communications cohérentes à
fibre optique.
La figure 5 illustre un système de communica-
tion optique cohérente 250 à fibre optique qui comprend un
système 252 de commande de polarisation, qui est avantageu-
sement essentiellement identique au servo-système 20 de commande de polarisation de la figure 1. Un signal de données est appliqué en entrée à un laser 254 à réaction discrète, qui produit un faisceau de sortie contenant les données. Le faisceau de sortie du laser 254 arrive sur une lentille 256 qui dirige le faisceau dans un système isolateur optique 258. Le système isolateur optique assure une propagation dans un seul sens de la lumière et dirige le signal sur une lentille 260 qui dirige le signal de données sur une fibre optique 262. La fibre optique 262 est en général une fibre optique monomode et peut avoir une longueur d'environ 100 km dans un système de communications habituel. Le signal présent dans la fibre optique 262 arrive sur un coupleur optique 264 qui combine le signal de la fibre 262 avec des signaux guidés par une fibre optique 266. Les signaux appliqués en entrée à la fibre optique 266 proviennent d'un laser 268 qui peut être un laser à réseau extérieur. Le signal de sortie du laser 268 est guidé par la fibre 266 jusqu'au système 252 de commande
de polarisation. La commande de polarisation est souhaita-
ble dans le système 250 de communications car les signaux présents dans la fibre 266 sont utilisés pour démoduler des signaux dans la fibre 262. Par conséquent, les signaux optiques dans les fibres doivent interférer entre eux pour produire le mélange demandé pour la démodulation. Les signaux dans les fibres 262 et 266 doivent avoir la même
polarité pour empêcher l'évanouissement du signal.
Les signaux optiques combinés arrivent sur un détecteur 270 qui est avantageusement une photodiode à avalanche au germanium. Le signal de sortie du détecteur 270 est un signal électrique représentatif du diagramme d'interférence formé par le mélange du signal de données et du signal de démodulation. Le signal électrique est amplifié par un amplificateur 272, filtré par un filtre passe-bande 273 puis appliqué en entrée à un discriminateur 276 de fréquence. Le signal de sortie du discrimateur 276 de fréquence est appliqué en entrée à un filtre pass-bas 278 dont le signal de sortie est le signal de données
sortant du système 250 de communications.
Le signal de sortie du discriminateur 276 de fréquence est appliqué en entrée à un circuit électronique 282 de commande de polarisation qui applique des signaux de commande au système 252 de commande de polarisation. Le signal de sortie du discrimateur 276 de fréquence est également appliqué en entrée à un filtre passe-bas 284, puis il est amplifié par un amplificateur 286. Le signal de sortie de l'amplificateur 286 est appliqué au laser 268
pour en assurer la stabilisation de la fréquence.
Une différence dans les signaux porteurs optiques dans les fibres 262 et 266 rend le signal de sortie du détecteur 272 inférieur à sa valeur maximale. Le signal de sortie du discriminateur 276 de fréquence,
appliqué au circuit électronique de commande de polarisa-
tion, provoque un ajustement de la polarisation du signal
dans la fibre 266 afin qu'elle soit adaptée à la polarisa-
tion du signal dans la fibre 262 et le retour du signal de
sortie du photodétecteur 272 à sa valeur maximale.
En référence à la figure 6, un système 290 de communication comprend un dispositif 292 de commande de polarisation qui est avantageusement sensiblement identique
au dispositif 20 de commande de polarisation décrit ci-
dessus en référence à la figure 1. Un laser 294, qui est avantageusement un laser à cavité étendue, produit un faisceau de lumière qui passe à travers un modulateur 296 de phase. Un signal électronique oscillatoire, auquel une information de données est imposée, est appliqué au modulateur de phase et impose les signaux porteurs et de données sur la lumière transmise. Le faisceau lumineux entre alors dans la fibre 302 qui transmet les signaux au récepteur 304. Le récepteur 304 comprend un coupleur optique 306 qui combine les signaux de données et porteurs avec un signal de démodulation porté par une fibre 310. Le coupleur optique 306 présente avantageusement un rendement de couplage de 50% de manière que les tronçons des fibres 302 et 310 situés sur le côté de droite du coupleur comme vu sur la figure 6 contiennent des parties égales des deux
signaux de données et de modulation.
Les faisceaux portés par les fibres 302 et 310 sont appliqués en entrée à des détecteurs 312 et 314, respectivement. Les sorties des détecteurs 312 et 314 sont connectées entre elles puis appliquées à l'entrée d'un amplificateur 316. La sortie de l'amplificateur 316 est appliqué à l'entrée d'un amplificateur 322 puis à un détecteur de phase 320, qui produit le signal de sortie de
données du récepteur 304.
La sortie de l'amplificateur 316 est également appliquée à l'entrée d'un amplificateur 322 qui applique les signaux amplifiés à un circuit électronique 324 de commande de polarisation et à un circuit 326 de blocage de fréquence. Le circuit électronique 324 de commande de polarisation peut être sensiblement identique au circuit électronique 28 de la figure 1 pour commander les trois éléments 34, 35, 36 de pincement de fibre. Le circuit 326 de blocage de fréquence applique un signal à un laser à oscillateur local 328 qui peut être un laser à cavité étendue. Des écarts affectant la polarisation du signal optique de l'oscillateur local 328 par rapport à celle du
signal appliqué en entrée au coupleur optique 326 pro-
duisent un signal d'erreur qui est utilisé pour attaquer le dispositif 292 de commande de polarisation qui, alors, ajuste la polarisation de la lumière provenant de la fibre 310 afin qu'elle soit identique à celle de la lumière provenant de la fibre optique 302, aux détecteurs 312 et 314. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système et au procédé décrits et
représentés sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (10)
1. Système destiné à commander la polarisation d'une lumière guidée par un guide d'onde optique (32), caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (22) destiné à commander la biréfringence du guide d'onde optique, comprenant un premier transducteur (34) et un deuxième transducteur (36) disposés de façon à agir sur le guide d'onde optique suivant des axes parallèles, et un troisième transducteur (35) situé sur un axe qui est placé entre les axes parallèles et qui en est décalé d'un angle de 45 , un dispositif (39) destiné à appliquer un premier signal de commande à chacun des premier et deuxième transducteurs, un dispositif (41) destiné à appliquer un second signal de commande au troisième transducteur, les premier et second signaux de commande étant en quadrature dans le temps, un dispositif (42) destiné à former un signal électrique représentatif de l'intensité de la lumière guidée par le guide d'onde optique, un dispositif (44) destiné à traiter le signal électrique pour former un signal d'erreur représentatif de différences entre l'état de polarisation de la lumière guidée par le guide d'onde optique et un état de polarisation prédéterminé et souhaité, et un dispositif destiné à combiner le signal d'erreur aux premier et second signaux de commande pour minimiser la différence entre l'état de polarisation de la lumière guidée par le guide
d'onde optique et l'état de polarisation souhaité.
2. Système selon la revendication 1, carac-
térisé en ce que chacun des transducteurs comprend un élément piézoélectrique de pincement de fibre qui ajuste la biréfringence du guide d'onde optique au moyen de l'effet photo-élastique.
3. Système selon la revendication 1, carac-
térisé en ce qu'il comporte un polariseur agencé pour produire une polarisation de référence dans le guide d'onde
optique.
4. Système selon la revendication 1, carac-
térisé en ce qu'il comporte un premier oscillateur (176) destiné à produire le premier signal de commande, un premier dispositif destiné à amplifier le premier signal de commande, un second oscillateur (208) destiné à produire le second signal de commande, un second dispositif destiné à amplifier le second signal de commande, et un dispositif destiné à établir une commande de gain indépendante pour
les premier et second dispositifs d'amplification.
5. Système selon la revendication 1, carac-
térisé en ce qu'il comporte un détecteur (206) sensible à la phase, à deux canaux, qui est sensible à la fois à des signaux en phase et à des signaux en quadrature pour démoduler le signal électrique représentatif de l'intensité
de la lumière guidée par le guide d'onde optique.
6. Procédé de commande de la polarisation d'une lumière guidée par un guide d'onde optique, caractérisé en ce qu'il consiste à commander la biréfringence du guide d'onde optique (32) par les étapes consistant à placer un premier transducteur (34) et un deuxième transducteur (36) afin qu'ils agissent sur le guide d'onde optique suivant des axes parallèles, et à placer un troisième transducteur (35) sur un axe qui est placé entre les axes parallèles et qui en est décalé d'un angle de 45 , à appliquer un premier signal de commande à chacun des premier et deuxième transducteurs, à appliquer un second signal de commande au troisième transducteur, les premier et second signaux de commande étant en quadrature dans le temps, à former un signal électrique représentatif de l'intensité de la lumière guidée par le guide d'onde optique, à traiter le
signal électrique pour former un signal d'erreur représen-
tatif de différences entre l'état de polarisation et la lumière guidée par le guide d'onde optique et un état de polarisation prédéterminé et souhaité, et à combiner le signal d'erreur aux premier et second signaux de commande pour minimiser la différence entre l'état de polarisation de la lumière guidée par le guide d'onde optique et l'état
de polarisation souhaité.
7. Procédé selon la revendication 6, carac-
térisé en ce qu'il consiste à former chacun des transduc- teurs afin qu'il comprenne un élément piézoélectrique de pincement de fibre qui ajuste la biréfringence du guide
d'onde optique au moyen de l'effet photo-élastique.
8. Procédé selon la revendication 6, carac-
térisé en ce qu'il consiste à produire une polarisation de
référence dans le guide d'onde optique.
9. Procédé selon la revendication 6, carac-
térisé en ce qu'il consiste à produire le premier signal de commande au moyen d'un premier oscillateur (176), à amplifier le premier signal de commande, à produire le second signal de commande au moyen d'un second oscillateur (208), à amplifier le second signal de commande et à établir une commande de gain indépendante pour les premier
et second moyens d'amplification.
10. Procédé selon la revendication 6, carac-
térisé en ce qu'il consiste à détecter les signaux en phase et les signaux en quadrature à l'aide d'un détecteur (206) sensible à la phase, à deux canaux, qui réagit de manière à démoduler le signal électrique représentatif de l'intensité
de la lumière guidée par le guide d'onde optique.
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