FR2874272A1 - Systeme de transmission optique par fibres a maintien de polarisation - Google Patents
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Abstract
Système de transmission optique par fibres à maintien de polarisation.L'invention concerne un système de transmission par fibres optiques comportant au moins une fibre optique à maintien de polarisation couplant un dispositif d'entrée à un dispositif de sortie. La fibre comporte au moins un premier (F1) et un deuxième (F2) tronçon de fibre à maintien de polarisation présentant chacun un axe de propagation lente et un axe de propagation rapide. Une extrémité du premier tronçon de fibre est couplée à une extrémité du deuxième tronçon de fibre de telle façon que l'axe de propagation lente du premier tronçon de fibre soit en coïncidence avec l'axe de propagation rapide du deuxième tronçon de fibre et inversement. L'invention s'applique notamment aux lasers.
Description
SYSTEME DE TRANSMISSION OPTIQUE PAR FIBRES A MAINTIEN
DE POLARISATION
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un système de transmission optique par fibres à maintien de polarisation. Elle est applicable dans les techniques de transmission de signaux optiques utilisant une ou plusieurs fibres à maintien de polarisation. Ces signaux peuvent être des impulsions laser dans les lasers de puissance ou des signaux véhiculant de l'information dans les systèmes de télécommunications.
Les fibres à maintien de polarisation permettent comme leur nom l'indique de transmettre un signal en préservant sa polarisation. Elles sont caractérisées par deux axes appelés lent et rapide . Les connecteurs de fibre optique induisent des contraintes sur les fibres à maintien de polarisation qui modifient très légèrement l'état de polarisation du signal. Cette modification associée à la différence de vitesse entre les états de polarisation à l'intérieur des fibres à maintien de polarisation engendre des distorsions du signal. Ces distorsions, très handicapantes et aléatoires, sont connues sous le nom de conversion FM-AM dans le cas des lasers de puissance.
Dans le domaine des transmissions d'informations par fibres optiques telles que dans les télécommunications, le problème ne s'est pas posé jusqu'ici car les fibres à maintien de polarisation sont peu utilisées pour des raisons de coût. Ces fibres permettraient cependant de doubler la capacité des fibres optiques. Il n'est pas impossible qu'à l'avenir cette solution soit utilisée pour des liaisons très courtes (réseau local par exemple) nécessitant des débits extrêmement élevés.
Dans le domaine des lasers de puissance, pour pallier ces distorsions, différentes solutions ont été prévues dont aucune n'est pleinement satisfaisante. Il s'agit notamment: du remplacement des fibres à maintien de polarisation par des fibres polarisantes, - du remplacement des fibres à maintien de polarisation par des fibres classiques, - du remplacement des fibres à maintien de polarisation par de la propagation en espace libre, - de l'adjonction de polariseurs répartis régulièrement le long du circuit de transmission.
Ces différentes solutions présentent des inconvénients. En effet, l'ajout de polariseurs entre les tronçons ne supprime pas complètement le phénomène mais l'atténue au prix d'une complexité et d'un coût accrus.
Toutes les autres solutions suppriment complètement la conversion FM-AM due à la propagation d'un signal polarisé dans les fibres. Par ailleurs: Les fibres polarisantes sont très difficiles à souder et sont très sensibles aux micro-courbures. Ainsi, elles doivent être conditionnées de façon très spécifique.
- Les fibres classiques ne contrôlent pas la polarisation. Un contrôleur de polarisation est nécessaire. Cette solution est très difficile à mettre en uvre, surtout lorsque plusieurs contrôleurs doivent être cascadés dans la chaîne. Ces contrôleurs sont de plus chers, engendrent quelques pertes supplémentaires et ne sont pas forcément fiables.
- La propagation en espace libre nécessite une excellente stabilité et un alignement très précis 10 des différents dispositifs optiques.
L'invention concerne un système permettant de résoudre ces difficultés.
L'invention concerne donc un système de transmission par fibres optiques comportant au moins un système à fibres optiques à maintien de polarisation.
Ce système à fibres optiques comporte au moins un premier et un deuxième tronçon de fibre à maintien de polarisation présentant chacun un axe de propagation lente et un axe de propagation rapide. Une extrémité du premier tronçon de fibre est couplée à une extrémité du deuxième tronçon de fibre de telle façon que l'axe de propagation lente du premier tronçon de fibre soit en coïncidence avec l'axe de propagation rapide du deuxième tronçon de fibre et inversement que l'axe de propagation rapide du premier tronçon de fibre soit en coïncidence avec l'axe de propagation lente du deuxième tronçon de fibre. Ainsi, dans un tel système, le temps de groupe différentiel global d'un ou plusieurs tronçons est égal au temps de groupe global des autres tronçons pour que le temps de groupe différentiel global dudit système à fibres optiques soit sensiblement nul.
De préférence, le système selon l'invention comporte un premier et un deuxième tronçon de fibre, les deux tronçons de fibres ayant des temps différentiels de groupe équivalents.
Avantageusement, les deux tronçons de fibres sont fabriqués dans une même fibre.
Il pourra également être particulièrement 10 intéressant de prévoir que les deux tronçons de fibres ont même longueur.
On pourra prévoir une pluralité de paires de tronçons.
En ce qui concerne le couplage des tronçons de fibres, selon une forme de réalisation, l'extrémité du premier tronçon de fibre est couplée à l'extrémité du deuxième tronçon de fibre par soudure de ces extrémités.
Selon une variante de réalisation, l'extrémité du premier tronçon de fibre est couplée à l'extrémité du deuxième tronçon de fibre par un dispositif de connectique.
Selon un mode de réalisation applicable notamment en télécommunications, le système de l'invention comporte comporte un dispositif d'entrée et un dispositif de sortie ainsi qu'un rotateur de polarisations associé au dispositif d'entrée ou au dispositif de sortie et permettant de faire tourner les polarisations des signaux transmis audit système à fibres optiques d'un angle correspondant à la somme des rotations de polarisations induites par le système de fibres optiques et en sens inverse de la somme de ces rotations.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées sur lesquelles: - les figures 1 et 2a sont des schémas expliquant les conséquences des rotations de polarisations subies par un signal optique transmis dans une fibre à maintien de polarisation, - la figure 2b illustre schématiquement un exemple de réalisation du système selon l'invention, - la figure 2c représente le système de la figure 2b selon le même mode de représentation qu'en figure 1, - la figure 3 illustre schématiquement une variante de réalisation du système selon l'invention, et -les figures 4a et 4b illustrent schématiquement un exemple d'application du système de l'invention à un système de transmission de signaux en télécommunications.
Les fibres à maintien de polarisation permettent comme leur nom l'indique de transmettre un signal en préservant sa polarisation à condition que l'état de polarisation du signal incident soit suivant un des deux axes dits propres ou principaux de la fibre à maintien de polarisation. Ces deux axes sont appelés lent et rapide et la différence de temps d'arrivée est appelée temps de groupe différentiel, DGD pour Differential Group Delay.
Toute contrainte exercée sur une fibre optique à maintien de polarisation modifie les états de polarisations des signaux optiques transmis sur ces fibres. Les connecteurs de fibres optiques, notamment, 5 induisent des contraintes sur ces fibres à maintien de polarisation.
A cause de la différence de vitesse entre les deux axes optiques de polarisation d'une fibre à maintien de polarisation, cette modification dépend de la fréquence optique. Ainsi les composantes spectrales du signal n'ont plus le même état de polarisation en sortie d'une fibre à maintien de polarisation qui est soumise à des contraintes et notamment des fibres équipées de connecteurs.
Lorsqu'on prévoit un polariseur, le signal optique traverse le polariseur et les composantes spectrales du signal ne sont pas toutes transmises de la même façon. Cette atténuation différentielle des composantes spectrales génère des distorsions du signal. Dans le cas des lasers de puissance, ces distorsions sont connues sous le nom de conversion FM-AM.
Cette image spectrale du phénomène peut être illustrée par la figure 1. Si un signal Slv est injecté sur un des axes de la fibre à maintien de polarisation, son état de polarisation est légèrement incliné après le connecteur d'entrée. La rotation est très faible (quelques degrés) mais suffisante pour générer le phénomène. Les projections S2.v et S2.h du signal sur les deux axes se propagent à des vitesses différentes. Par exemple, on voit sur la figure 1 que les signaux S3.v et S3.h sont décalés d'un temps Lt appelé temps de groupe différentiel ou DGD (Differential Group Delay).
En sortie, le signal est à nouveau victime d'une rotation à cause du second connecteur. La composante de polarisation S3.v donne lieu à deux composantes S4.vv et S4.vh. La composante de polarisation S3.h donne lieu aux signaux S4.hh et S4.hv lequel sur la figure 1 est représenté en deux parties en raison du décalage de temps entre les signaux se propageant selon les deux axes de polarisation de la fibre.
Si l'on ne garde qu'un seul état de polarisation (à travers un polariseur par exemple), on verra des interférences entre deux projections susmentionnées telles que S4.vv et S4.hv sur la figure 1.
Dans le cas des lasers de puissance, lorsque le signal est uniquement modulé en phase en entrée (FM), cela se traduit par une modulation de l'intensité en sortie (AM). Dans le cas des télécommunications, le signal sera distordu, ce qui limitera la portée du système.
L'invention permet de résoudre ce problème.
La figure 2a représente une fibre optique F à maintien de polarisation dans laquelle un coupleur optique Cl permet d'injecter un signal lumineux polarisé V. Les polarisations de la fibre F sont symbolisées sur la figure 2a par PV et PH. L'entrée du signal V dans la fibre par le coupleur est l'objet d'une légère rotation de polarisation et c'est donc le signal Vr qui est transmis dans la fibre. Ce signal Vr peut être décomposé en deux composantes V1 et H1 selon les deux directions de polarisation de la fibre. La composante Hl se propage plus vite dans la fibre que la composante V1 et la composante H'1 atteint l'extrémité de sortie de la fibre, vers le coupleur C2, un temps AZ avant la composante V'1.
Selon l'invention, on prévoit de réaliser la fibre en deux tronçons de fibres à maintien de polarisation F1 et F2 (figure 2b). Selon un exemple de réalisation avantageux de l'invention, on prévoit que les deux tronçons sont de même longueur. Par comparaison avec la figure 2a, ils correspondent chacun à la moitié de la longueur de la fibre F. De plus, les extrémités El et E2 de ces deux tronçons de fibres sont couplées de telle façon que les axes de propagation lent et rapide PV1 et PH1 du tronçon Fl soient en coïncidence respectivement avec les axes de propagation rapide et lent PH2 et PV2 du tronçon F2.
Comme précédemment, le signal V entrant dans le tronçon de fibre F1 donne lieu à deux composantes V1 et H1 qui se propagent à des vitesses différentes. La composante H2 se propage selon l'axe rapide et atteint l'autre extrémité de tronçon F1 avant la composante V2 qui se propage selon l'axe lent. Ayant prévu précédemment que les longueurs des tronçons de fibre F1 et F2 sont égales à la moitié de la longueur de la fibre F, la composante H2 atteint l'extrémité du tronçon Fl un temps Ai/2 avant la composante V2.
Les axes de propagation PV1 et PH1 du tronçon de fibre F1 étant couplées respectivement aux axes de propagation PH2 et PV2 du tronçon F2, on peut considérer que le signal correspondant à la composante V2 dans le tronçon F1 se retrouve dans le tronçon F2 sous la forme d'une composante H3. De même la composante H2 se retrouve sous forme de la composante V3. La composante H3 se propage maintenant selon l'axe rapide et la composante V3 selon l'axe lent. Il s'ensuit que la composante H3 va rattraper son retard de AT/2 qu'elle avait par rapport à la composante V3.
Les deux composantes H4 et V4 arrivent donc au même instant l'extrémité de sortie du tronçon de fibre F2. Cela suppose bien sûr que les deux tronçons de fibres F1 et F2 ont les mêmes caractéristiques.
La figure 2c représente le système de la figure 2b selon le même mode de représentation qu'en figure 1. On voit donc qu'en sortie du tronçon de fibre F2, les composantes H4 et V4 sont en phase. Si en sortie du tronçon F2 il est prévu un coupleur, les signaux sont à nouveau l'objet d'une légère rotation de polarisation. La composante H4 donne lieu aux composantes H5 et V6 et la composante V4 donne lieu aux composantes V5 et H6. Après traversée d'un polariseur on obtient donc les composantes H5 et H6 qui sont en phase.
Dans ces conditions, selon l'invention, on prévoit que dans un système de transmission à fibres optiques à maintien de polarisation, on prévoit une liaison par fibres réalisée en au moins deux tronçons, comme cela vient d'être décrit, entre deux coupleurs ou entre deux zones de contrainte de la fibre, ou bien encore entre une zone de contrainte et un coupleur.
Selon un mode de réalisation simplifiée on peut également prévoir de choisir aléatoirement les orientations des tronçons. Lorsque le nombre de tronçons est important, la conversion FM-AM diminue.
Par exemple, la figure 3 représente un exemple de réalisation dans lequel, les tronçons de fibres TF1 et TF2 sont couplés avec les axes lents PV1 et PV2 des deux tronçons en coïncidence et les axes rapides PH1 et PH2 en coïncidence. Le tronçon de fibre TF3 est couplé au tronçon TF2 avec son axe rapide PH3 en coïncidence avec l'axe lent PV2 du tronçon TF2 et son axe lent PV3 en coïncidence avec l'axe rapide PH2 du tronçon TF2. Le tronçon de fibre TF4 est orienté de la même façon que les tronçon TF1 et TF2 et est couplé au tronçon TF3 avec son axe lent PV4 en coïncidence avec l'axe rapide PH3 du tronçon TF4 et son axe rapide PH4 en coïncidence avec l'axe lent PV3 du tronçon TF3. Comme on peut le voir sur la figure 3 les tronçons de fibre peuvent avoir des longueurs différentes et peuvent ne pas être disposés régulièrement. L'essentiel est que, dans un système de transmission déterminé, le temps différentiel (différence de propagation selon les axes lent et rapide) global d'un ou plusieurs tronçons soit compensé par le temps différentiel des autres tronçons.
C'est ainsi que dans le système de la figure 3, le temps différentiel total des tronçons TF1, TF2 et TF4 est compensé par le temps différentiel du tronçon TF3.
Néanmoins, il vaut mieux réaliser une véritable alternance. Un modèle analytique développé pour cela prouve qu'en effet, c'est, après le temps différentiel (DGD) de chaque tronçon, le temps différentiel DGD de deux tronçons consécutifs qui importe le plus. Les simulations numériques viennent là aussi confirmer ces prédictions.
La compensation du temps différentiel (Ai) d'un tronçon par celui d'un autre tronçon sera d'autant plus efficace que les temps différentiels seront quasiment égaux. Il vaut donc mieux des tronçons de longueurs proches.
Enfin, pour éviter des rotations de polarisations entre deux tronçons devant se compenser l'un l'autre, un mode de réalisation préféré de l'invention consistera de souder les tronçons, mais un couplage des tronçons de fibres par des connecteurs est un mode de réalisation possible.
En pratique, à partir d'un système à fibres optiques déjà monté, il suffit de couper les fibres à maintien de polarisation en tronçons de fibres exactement en leur milieu puis de les re-souder à 90 . Cette opération est facilement réalisable.
On voit donc que, principalement, l'invention consiste à inverser les axes des fibres à maintien de polarisation pour compenser les différences de vitesse des composantes de polarisations d'un signal. Ces inversions pourront être aléatoires mais on pourra prévoir avantageusement, une alternance de tronçons de même longueur. Encore plus avantageusement, les tronçons seront soudés sans contrainte deux par deux et non pas reliés par des connecteurs.
Il convient de noter que ces inversions des axes des tronçons de fibres n'ont pas pour objet de réaliser un filtrage ou pour rendre indépendant un capteur ou un système optique à l'état de polarisation d'un signal incident. Selon l'invention, il s'agit au contraire d'appliquer cette technique au transport d'un signal polarisé, en maintenant sa polarisation tout en évitant les distorsions.
Ceci n'était pas évident pour l'homme de l'art car le transport d'un signal polarisé nécessite simplement de maintenir la polarisation et pas de tenir compte des fuites sur l'axe orthogonal (dues aux rotations au niveau des connecteurs.
En d'autres termes, l'objet de l'invention est de maintenir la polarisation et non de rendre un processus physique indépendant de l'état de polarisation du signal. Il n'était pas évident a priori que croiser les axes d'une fibre serait utile au simple transport d'un signal.
Des simulations ont montré que, dans un système selon l'invention, la conversion FM-AM est quasiment supprimée et l'état de polarisation est maintenu comme dans le cas de la fibre polarisante. Mais, contrairement à cette dernière, les soudures entre fibres à maintien de polarisation sont faciles et la sensibilité aux pertes par micro-courbures est quasi nulle. Enfin, cette solution est peu coûteuse.
L'invention est plus particulièrement applicable dans tout transport par fibre d'un signal dont on veut maintenir l'état de polarisation. L'application directe en est les lasers de puissance mais également le domaine des télécommunications.
Dans un système de télécommunications, il serait intéressant de transmettre des signaux polarisés selon deux directions de polarisation orthogonales pour doubler les capacités de transmission. Cependant, en raison des rotations de polarisations dues aux contraintes pouvant exister dans les fibres et dues aux dispositifs de couplage, il y a risque qu'une partie d'un signal polarisé selon une direction se retrouve polarisé selon l'autre direction et perturbe donc un signal se propageant en même temps à une longueur d'onde très proche et polarisé selon cette autre direction.
Pour pallier cet inconvénient, on prévoit comme cela est représenté en figures 4a et 4b, un contrôleur de polarisations ou rotateur des directions de polarisations RO dont le rôle sera de faire tourner les polarisations des signaux transmis d'un angle correspondant à la somme des rotations de polarisations que ces signaux subiront dans le système de transmission. La rotation induite par le rotateur RO se fera en sens inverse de la rotation globale induite dans le système de transmission.
Sur la figure 4a, le rotateur de polarisation RO a été placé en sortie du système, associé, par exemple, au coupleur C2. Sur la figure 4b, il a été placé en entrée du système.
Claims (8)
1. Système de transmission par fibres optiques comportant un système à fibres optiques à maintien de polarisation, caractérisé en ce que ledit système à fibres optiques comporte au moins un premier et un deuxième tronçon de fibre à maintien de polarisation présentant chacun un axe de propagation lente et un axe de propagation rapide, une extrémité du premier tronçon de fibre étant couplée à une extrémité du deuxième tronçon de fibre de telle façon que l'axe de propagation lente du premier t-ronçon de fibre soit en coïncidence avec l'axe de propagation rapide du deuxième tronçon de fibre et inversement, de telle façon que l'axe de propagation rapide du premier tronçon de fibre soit en coïncidence avec l'axe de propagation lente du deuxième tronçon de fibre, le temps de groupe différentiel global d'un ou plusieurs tronçons étant égal au temps de groupe global des autres tronçons pour que le temps de groupe différentiel global dudit système à fibres optiques soit sensiblement nul.
2. Système de transmission selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un premier et un deuxième tronçon de fibre, les deux tronçons de fibres ayant des temps différentiels de groupe équivalents.
3. Système de transmission selon la revendication 2 caractérisé en ce que les deux tronçons de fibres sont fabriqués dans une même fibre.
4. Système de transmission selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux tronçons de fibres ont même longueur.
5. Système de transmission selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de paires de tronçons
6. Système de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité du premier tronçon de fibre est couplée à l'extrémité du deuxième tronçon de fibre par soudure de ces extrémités.
7. Système de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité du premier tronçon de fibre est couplée à l'extrémité du deuxième tronçon de fibre par un dispositif de connectique.
8. Système de transmission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système à fibres optiques comporte un dispositif d'entrée (Cl) et un dispositif de sortie (C2) et en ce qu'il comporte un rotateur de polarisations (RO) associé au dispositif d'entrée ou au dispositif de sortie et permettant de faire tourner les polarisations des signaux transmis audit système à fibres optiques d'un angle correspondant à la somme des rotations de polarisations induites par ledit système de fibres optiques et en sens inverse de la somme de ces rotations.
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