FR2945637A1 - Procede et systeme d'observation de modes transverses d'un guide optique. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé d'observation de modes transverses d'un guide optique dans lequel on injecte, à une extrémité du guide optique, une succession de signaux optiques de différentes longueurs d'ondes. Pour chaque signal optique, on capture une image optique (E202) du signal optique à l'aide d'un capteur optique comprenant une pluralité de surfaces élémentaires x . Pour chaque surface élémentaire x , on obtient (E209) la puissance optique x reçue pour chaque longueur d'onde. On effectue une transformation de Fourier (E213) des puissances optiques x en fonction de la longueur d'onde afin d'identifier (E214) les interférences entre tout couple de modes existants. De ces interférences sont calculés les profils en intensité des modes et leur puissance optique.

Description

La présente invention concerne un procédé et un système d'observation de modes transverses d'un guide optique. Les guides optiques tels que les fibres optiques sont un support essentiel pour la propagation guidée de la lumière. Certaines fibres optiques sont multi-modes, c'est-à-dire que la lumière peut se propager selon différents modes transverses, chacun ayant un profil spatial caractéristique et une constante de propagation caractéristique. La propagation multimodale peut être avantageuse dans certaines situations mais est dans la majorité des cas délétère.

Actuellement, les fibres optiques légèrement multi-modes sont de plus en plus courantes pour la réalisation de sources laser à fibre de puissance. L'augmentation du diamètre d'une fibre optique permet d'augmenter la puissance optique transmise par la fibre optique. En augmentant le diamètre d'une fibre optique, la puissance optique est diluée, c'est-à-dire que l'intensité optique exprimée en W/m2 est réduite pour une même puissance optique exprimée en W qui serait transmise dans une fibre optique de moindre diamètre. Les effets liés aux non linéarités, voire l'endommagement de la fibre optique lié à la propagation de fortes intensités dans la fibre optique, sont ainsi réduits. Les fibres optiques de diamètre important supportent potentiellement plusieurs modes transverses, et l'interaction entre ces différents modes transverses peut être particulièrement problématique pour les lasers à fibre optique. En effet, ces modes transverses dégradent la qualité de faisceau, et peuvent générer de nouvelles fréquences par mélange d'ondes. Il est donc nécessaire de pouvoir observer les modes transverses afin de caractériser une fibre optique, voire d'extraire la répartition énergétique de chaque mode, afin d'anticiper, par exemple, la dégradation associée de la qualité de faisceau en sortie de la fibre optique. Le comportement multimodal n'est pas limité aux fibres de grand diamètre. Les fibres dites micro-structurées, fibres qui suscitent un engouement très important depuis la fin des années 1990, permettent de contrôler de nombreux aspects de la lumière. La difficulté de fabrication de ces fibres optiques entraîne souvent un comportement multimodal, même pour les fibres de petit diamètre, qu'il est aussi important de pouvoir observer et quantifier. Ces fibres optiques sont utilisées dans de nombreux domaines de la photonique, tels que les lasers à fibre optique, les télécommunications optiques, etc. Pour garantir le fonctionnement correct des systèmes dans lesquels ces fibres optiques sont utilisées, il est aussi nécessaire de pouvoir observer les modes de propagation dans ces fibres optiques, voire de mesurer la répartition énergétique de la puissance lumineuse dans les différents modes existants. L'invention a pour but de résoudre les inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé et un système qui permettent de manière simple et peu coûteuse d'observer les modes transverses d'un guide optique.

A cette fin, selon un premier aspect, l'invention propose un procédé d'observation de modes transverses d'un guide optique, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de : - injection, à une extrémité du guide optique, d'une succession de signaux optiques, chaque signal optique ayant une composante principale à une longueur d'onde %k, avec k compris entre 1 et K, différente des longueurs d'ondes des composantes principales des autres signaux optiques, pour chaque signal optique ayant une composante principale à une longueur d'onde - capture d'une image optique du signal optique à l'autre extrémité du 20 guide optique à l'aide d'un capteur optique comprenant une pluralité de surfaces élémentaires x,i avec i=l à I, i=l à J, pour chaque surface élémentaire x,i : - obtention de la puissance optique xk,,i reçue par la surface élémentaire pour chaque composante de longueur d'onde %k, 25 - transformation de Fourier des puissances optiques xk,;,i reçues par la surface élémentaire x,i pour obtenir une représentation d'amplitudes à plusieurs valeurs de différences de temps de propagation de groupe, - identification des pics d'amplitudes qui existent dans la représentation d'amplitudes à plusieurs valeurs de différences de temps de propagation de groupe, 30 chaque pic correspondant à un mode transverse du guide d'onde. Corrélativement, la présente invention concerne un système d'observation de modes transverses d'un guide optique, caractérisé en ce que le système comporte : - des moyens de génération, à une extrémité du guide optique, d'une succession de signaux optiques, chaque signal optique ayant une composante principale à une longueur d'onde %k, avec k compris entre 1 et K, différente des longueurs d'ondes des composantes principales des autres signaux optiques, - des moyens de capture d'une image optique du signal optique à l'autre extrémité du guide optique à l'aide d'un capteur optique comprenant une pluralité de surfaces élémentaires avec i=l à I, i=l à J, pour chaque signal optique ayant une composante principale à une longueur d'onde %k, - des moyens d'obtention de la puissance optique xk,,i reçue par la surface élémentaire x,i pour chaque composante de longueur d'onde Xk pour chaque surface élémentaire x,i : - des moyens de transformation de Fourier, pour chaque surface élémentaire des puissances optiques xk,,i reçues par la surface élémentaire x,i pour obtenir une représentation d'amplitudes à plusieurs valeurs de différences de temps de propagation de groupe, - des moyens d'identification, pour chaque surface élémentaire des pics d'amplitudes qui existent dans la représentation d'amplitudes à plusieurs valeurs de différences de temps de propagation de groupe, chaque pic correspondant à un mode transverse du guide d'onde. Ainsi, il est possible d'observer de manière simple et peu coûteuse les modes transverses d'un guide optique.

De plus, en obtenant une image de toutes les surfaces élémentaires, le temps de caractérisation d'un guide optique est réduit, à comparer à l'observation itérative surface élémentaire par surface élémentaire. Selon un mode particulier de l'invention, préalablement à la capture de l'image optique du signal optique, le signal optique est grossi.

Ainsi, il est possible d'observer des fibres optiques de petit diamètre ou d'améliorer la précision de la capture de l'image. Selon un mode particulier de l'invention, les intensités de chaque mode transverse sont déterminées. Ainsi, il est possible de quantifier la puissance optique contenue dans chacun des modes transverses existants. Selon un mode particulier de l'invention, les signaux optiques transmis à une extrémité du guide optique sont générés par une source optique large bande associée à un filtre optique accordé successivement sur la longueur d'onde de chaque composante principale.

Ainsi, le coût du système est réduit. Selon un mode particulier de l'invention, chaque signal optique transmis à une extrémité du guide optique est généré par une source optique délivrant un signal optique dont la composante principale a une unique longueur d'onde.

Ainsi, il est possible de balayer avec plus de précision le spectre optique. La précision de l'analyse est ainsi améliorée. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : la Fig. 1 représente le système d'observation de modes transverses d'un guide optique selon la présente invention ; la Fig. 2 représente un algorithme d'observation de modes transverses d'un guide d'onde selon la présente invention et de quantification de la puissance contenue 15 dans chaque mode.

La Fig. 1 représente le système d'observation de modes transverses d'un guide optique selon la présente invention. Le système d'observation de modes transverses d'un guide optique comporte 20 une source optique ajustable SO, un guide optique FO, si nécessaire un objectif L constitué d'au moins une lentille, un dispositif de capture d'image CA et d'un dispositif de contrôle et de traitement 10. La source optique ajustable SO est par exemple une source optique délivrant un signal optique dont la composante principale est à une longueur d'onde commandée 25 par le dispositif de contrôle et de traitement 10 ou est une source optique large bande associée à un filtre optique accordé sur une longueur d'onde commandée par le dispositif de contrôle et de traitement 10. Le filtre optique est par exemple un filtre à base de couches minces et/ou de cavités interférométriques. Le signal délivré par la source optique ajustable SO est transmis dans le guide 30 optique FO à caractériser. Le guide optique FO est préférentiellement une fibre optique micro-structurée ou non. La longueur de la fibre optique est au moins supérieure à quelques centimètres de manière à ce que les différents temps de propagation de groupe des différents modes puissent être distingués après transformée de Fourier.

Si nécessaire, en regard de la sortie du guide optique FO à caractériser, est placé un objectif L constitué d'au moins une lentille. La fonction de l'objectif est de grossir l'image de la sortie du guide d'onde FO au niveau du dispositif de capture d'image CA.

Le dispositif de capture d'image CA est par exemple un capteur CCD ou un appareil photo numérique ou une caméra numérique comportant un capteur CCD ou tout autre appareil d'imagerie non numérique. Le dispositif de capture d'image CA est constitué d'éléments élémentaires tels que par exemple des pixels d'un capteur CCD. Il est à remarquer ici que l'objectif L et le dispositif de capture d'image CA peuvent être réunis dans un unique dispositif. Chaque prise de vue et/ou le transfert de chaque prise de vue est commandée et/ou commandé par le dispositif de contrôle et de traitement 10. Le dispositif de contrôle et de traitement 10 est adapté à effectuer à partir d'un ou plusieurs modules logiciels les étapes de l'algorithme tel que décrit en référence à la Fig. 2. Le dispositif de contrôle et de traitement 10 est, de manière non limitative, un ordinateur. Le dispositif de contrôle et de traitement 10 comporte un bus de communication 101 auquel sont reliés un processeur 100, une mémoire non volatile 102, une mémoire vive 103, une interface de communication 106 avec le dispositif de capture d'image CA et la source optique ajustable SO ainsi qu'une interface homme-machine constituée d'au moins un clavier, un écran voire un haut-parleur non représentés en Fig. 1. Le dispositif de contrôle et de traitement 10 reçoit, du dispositif de capture d'image CA, les valeurs enregistrées pour chaque surface élémentaire du dispositif de 25 capture d'image CA. La mémoire non volatile 102 mémorise les modules logiciels mettant en oeuvre l'invention, ainsi que les données permettant de mettre en oeuvre l'algorithme qui sera décrit par la suite en référence à la Fig. 2. De manière plus générale, les programmes selon la présente invention sont 30 mémorisés dans un moyen de stockage. Ce moyen de stockage est lisible par le microprocesseur 100. Ce moyen de stockage est intégré ou non au dispositif de contrôle et de traitement 10, et peut être amovible. Lors de la mise sous tension du dispositif de contrôle et de traitement 10, les modules logiciels selon la présente invention sont transférés dans la mémoire vive 103 qui contient alors le code exécutable de l'invention ainsi que les données nécessaires à la mise en oeuvre de l'invention. L'écran permet la visualisation des différents modes transverses observés dans le guide optique à caractériser et l'affichage des puissances optiques transmises dans ces modes. La Fig. 2 représente un algorithme d'observation de modes transverses d'un guide d'onde selon la présente invention et de quantification de la puissance contenue dans chaque mode. Plus précisément, le présent algorithme est exécuté par le processeur 100 du dispositif de contrôle et de traitement 10. A l'étape E200, le processeur 100 initialise la variable k à la valeur 1. La variable k est utilisée pour faire varier la longueur d'onde Xk du signal optique délivré par la source optique ajustable SO. A l'étape suivante E201, le processeur 100 commande le transfert, par 15 l'intermédiaire de l'interface 106, d'une commande pour que la source optique ajustable SO délivre un signal optique de longueur d'onde %k. A l'étape suivante E202, le processeur 100 commande la lecture, par l'intermédiaire de l'interface 106, de la puissance optique reçue par chaque surface élémentaire xk,,i du capteur CA de taille I*J à la longueur d'onde %k, avec i variant de 20 1 à I et j variant de 1 à J. A l'étape suivante E203, la puissance optique reçue par chaque surface élémentaire xk,ii est mémorisée dans la mémoire RAM 103. Il est à remarquer ici que pour la longueur d'onde %k, en une unique opération, les puissances optiques reçues par toutes les surfaces élémentaires du capteur CA sont 25 reçues par le dispositif de contrôle et de traitement 10. A l'étape suivante E205, le processeur 100 vérifie si k est égale à K, le nombre total de longueurs d'ondes devant être analysé par le système. Si k=K, le processeur 100 passe à l'étape E205. Dans la négative, le processeur 100 passe à l'étape E204, incrémente la variable k et retourne à l'étape E202. 30 A l'étape E206, le processeur 100 initialise la variable i à la valeur 1. A l'étape suivante E207, le processeur 100 initialise la variable j à la valeur 1. A l'étape suivante E208, le processeur 100 initialise la variable k à la valeur 1. A l'étape suivante E209, le processeur 100 lit la puissance optique reçue par la surface élémentaire xk,,i mémorisée à l'étape E203.

A l'étape suivante E210, le processeur 100 insère la puissance optique xk,,i reçue par la surface élémentaire dans une courbe représentative des variations de la puissance optique reçue par la surface élémentaire en fonction de la longueur d'onde Xk du signal optique. Cette courbe est par exemple affichée sur l'écran du dispositif de contrôle et de traitement 10. Différents modes transverses peuvent se propager dans le guide optique FO, chaque mode est caractérisé par un indice de groupe qui lui est propre. Ainsi, deux modes différents se propagent à des vitesses différentes et peuvent ainsi interférer à la sortie du guide optique FO. L'état d'interférence varie sinusoïdalement en fonction de la longueur d'onde et la courbe ainsi formée est représentative d'un spectre cannelé. En variante, le processeur 100 n'exécute pas l'étape E210 et passe de l'étape E209 à l'étape E210. A l'étape suivante E211, le processeur 100 vérifie si k est égale à K. Si k=K, le processeur 100 passe à l'étape E213. Dans la négative, le processeur 100 passe à l'étape E212, incrémente la variable k et retourne à l'étape E209. A l'étape E213, le processeur 100 exécute une transformée de Fourier rapide (FFT) sur les différentes valeurs lues pour la surface élémentaire La transformée de Fourier permet d'isoler les interférences à différentes périodes et d'extraire les profils transverses de différents couples de modes en observant l'amplitude des interférences à différentes périodes. En effet, la période de ces interférences est caractéristique de la différence de vitesse de groupe entre les modes. La transformée de Fourier permet d'avoir une représentation d'amplitudes à plusieurs valeurs de différences de temps de propagation de groupe.

A l'étape suivante E214, le processeur 100 identifie les interférences. Pour cela, le processeur 100 identifie les pics d'amplitudes qui existent dans la représentation d'amplitudes à plusieurs valeurs de différences de temps de propagation de groupe. Chaque pic correspond ainsi à l'interférence entre deux modes transverses du guide d'onde. A l'étape suivante E215, le processeur 100 détermine les profils en intensité et puissances optiques des deux modes transverses correspondant à chaque pic de la transformée de Fourier. Soit B(t) la transformée de Fourier en fonction de t, différence de temps de groupe entre deux modes (ou toute autre variable proportionnelle ou inversement proportionnelle), obtenue à l'étape E213. L'amplitude B(t), obtenue pour la surface élémentaire permet de déterminer les intensités optiques Il et 12 en x,i des deux modes interférant avec une période t grâce aux formules : IT,i=somme des intensités de la surface élémentaire x,i à toutes les longueurs d'ondes k I1,,;=IT,,; * 1 / (1 + ((1-sqrt(1-4*(B(t)/B(0))2))/(2*B(t)/B(o)))2) I2,,;=IT,,; * ((1-sqrt(1-4*(B(t)/B(0))2))/(2*B(t)/B(o)))2 / ( 1 + ((1-sqrt(1- 4*(B(t)/B(0))2))/(2*B(t)/B(0)))2) où sqrt() est la racine carrée de O. A l'étape suivante E216, le processeur 100 vérifie si j est égale à J.

Si j=J, le processeur 100 passe à l'étape E218. Dans la négative, le processeur 100 passe à l'étape E217, incrémente la variable j et retourne à l'étape E208. A l'étape suivante E218, le processeur 100 vérifie si i est égale à I. Si i=I, le processeur 100 interrompt le présent algorithme. Le rapport de puissance entre les modes M est alors calculé avec la ~Ia formule M = i Le guide optique FO a été caractérisé. Dans la négative, le processeur 100 passe à l'étape E219, incrémente la variable i et retourne à l'étape E207. Il est à remarquer ici qu'en variante, les itérations en i et j précédemment décrites peuvent être évitées. La transformée de Fourier de l'ensemble des images peut être effectuée en une itération par un outil de calcul matriciel tel que l'outil Matlab , gagnant ainsi en rapidité. Il est à remarquer aussi qu'en variante, il est utile de calculer Il et 12 pour chaque position t et non seulement si un pic existe à t. En effet, le pic peut ne pas être présent en certaines surfaces élémentaires si l'intensité d'un des deux modes en cette surface élémentaire est nulle. Les modes sont calculés pour toutes les valeurs de t. A la fin, ne sont retenus que ceux pour lesquels un pic existe en effet pour une grande partie des surfaces élémentaires. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits ici, mais englobe, bien au contraire, toute variante à la portée de l'homme du métier et particulièrement la combinaison de différents modes de réalisation de la présente invention.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1) Procédé d'observation de modes transverses d'un guide optique, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de : - injection, à une extrémité du guide optique, d'une succession de signaux optiques, chaque signal optique ayant une composante principale à une longueur d'onde %k, avec k compris entre 1 et K, différente des longueurs d'ondes des composantes principales des autres signaux optiques, pour chaque signal optique ayant une composante principale à une longueur d'onde - capture d'une image optique du signal optique à l'autre extrémité du 10 guide optique à l'aide d'un capteur optique comprenant une pluralité de surfaces élémentaires x,i avec i=l à I, i=l à J, pour chaque surface élémentaire x,i : - obtention de la puissance optique xk,,i reçue par la surface élémentaire pour chaque composante de longueur d'onde %k, 15 - transformation de Fourier des puissances optiques xk,;,i reçues par la surface élémentaire x,i pour obtenir une représentation d'amplitudes à plusieurs valeurs de différences de temps de propagation de groupe, - identification des pics d'amplitudes qui existent dans la représentation d'amplitudes à plusieurs valeurs de différences de temps de propagation de groupe, 20 chaque pic correspondant à un mode transverse du guide d'onde.
2. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que préalablement à la capture de l'image optique du signal optique, le signal optique est grossi.
3. 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le procédé comporte en outre une étape de détermination des intensités de chaque mode 25 transverse.
4. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les signaux optiques transmis à une extrémité du guide optique sont générés par une source optique large bande associée à un filtre optique accordé successivement sur la longueur d'onde de chaque composante principale. 30
5. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque signal optique transmis à une extrémité du guide optique est généré parune source optique délivrant un signal optique dont la composante principale a une unique longueur d'onde.
6. 6) Système d'observation de modes transverses d'un guide optique, caractérisé en ce que le système comporte : - des moyens de génération, à une extrémité du guide optique, d'une succession de signaux optiques, chaque signal optique ayant une composante principale à une longueur d'onde %k, avec k compris entre 1 et K, différente des longueurs d'ondes des composantes principales des autres signaux optiques, - des moyens de capture d'une image optique du signal optique à l'autre extrémité du guide optique à l'aide d'un capteur optique comprenant une pluralité de surfaces élémentaires avec i=l à I, j=1 à J, pour chaque signal optique ayant une composante principale à une longueur d'onde %k, - des moyens d'obtention de la puissance optique xk,,i reçue par la surface élémentaire x,i pour chaque composante de longueur d'onde Xk pour chaque surface élémentaire x,i : - des moyens de transformation de Fourier, pour chaque surface élémentaire des puissances optiques xk,,i reçues par le surface élémentaire x,i pour obtenir une représentation d'amplitudes à plusieurs valeurs de différences de temps de propagation de groupe, - des moyens d'identification, pour chaque surface élémentaire des pics d'amplitudes qui existent dans la représentation d'amplitudes à plusieurs valeurs de différences de temps de propagation de groupe, chaque pic correspondant à un mode transverse du guide d'onde.
7. 7) Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le guide optique est 25 une fibre optique.
8. 8) Système selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que les signaux optiques transmis à une extrémité du guide optique sont générés par une source optique large bande associée à un filtre optique accordé sur successivement la longueur d'onde de chaque composante principale. 30
9. 9) Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le filtre optique est par exemple un filtre à base de couches minces ou de cavités interférométriques.
10. 10) Système selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que chaque signal optique transmis à une extrémité du guide optique est généré par une source optiquedélivrant un signal optique dont la composante principale a une unique longueur d'onde.