WO2002010676A1 - Interferometre optique a deux ondes stabilise en temperature et dispositif d'intercalage en longueur d'onde l'incorporant - Google Patents

Interferometre optique a deux ondes stabilise en temperature et dispositif d'intercalage en longueur d'onde l'incorporant Download PDF

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periscopes
wave optical
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Hervé Lefevre
Thomas Buret
Véronique DENTAN
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    • G02B6/29379—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device
    • G02B6/2938—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device for multiplexing or demultiplexing, i.e. combining or separating wavelengths, e.g. 1xN, NxM
    • G02B6/29386—Interleaving or deinterleaving, i.e. separating or mixing subsets of optical signals, e.g. combining even and odd channels into a single optical signal

Definitions

  • interleaver devices have been used and in which two combs of multiplexed wavelengths as shown respectively in FIGS. 1 and 2 are addressed to the inputs E1 and E2 of a two-wave interferometer.
  • the first input coupler is C1 separating the two waves which, after having undergone different optical paths, are recombined by the coupler C2.
  • this device as a multiplexer has thus been described, making the intercalation of the wavelength combs.
  • a demultiplexer can, in the opposite direction, as a demultiplexer, separate combs of interleaved wavelengths.
  • the aim of the invention is to propose an optical two-wave interferometer and an interleaving and dissociation device for a set of wavelength-multiplexed signals which is stable in temperature.
  • the invention relates to an optical interferometer with two waves defining two paths of different optical lengths and comprising at least one separating periscope.
  • the invention comprises, on the short path of the interferometer, a compensation blade cut from a glass of the same kind as the separating periscopes and having the thickness of the difference in glass thicknesses of the separating periscopes crossed respectively by each of the waves.
  • - It includes a separating periscope, a compensation blade and a mirror, the periscope and the compensation blade being passed symmetrically before and after reflection on the mirror.
  • - It includes means for orienting the periscope allowing fine adjustment of the interferometer.
  • the invention also relates to a device for intercalating a set of wavelength multiplex signals.
  • this device comprises an interferometer such as that defined above.
  • the invention also relates to a device for dissociating a set of wavelength multiplex signals.
  • This device also includes an interferometer such as that defined above.
  • FIG. 1 is a representation of a first comb of wavelength P1.
  • FIG. 2 is the representation of a second comb of wavelength P2.
  • Figure 3 is the representation of these intercalated wavelength combs.
  • Figure 4 is a representation of a Mach Zenhder interferometer of the prior art, made of optical fibers.
  • Figure 5 is a representation of an interleaving device according to the invention, in a first embodiment.
  • Figure 6 is a representation of an interleaving device according to the invention, in a second embodiment.
  • FIG. 7 is a representation of an interleaving device according to the invention, in a third embodiment.
  • FIG. 5 therefore shows a Mach-Zehnder 1 interferometer, produced by the association of two separating periscopes 2 and 3 respectively.
  • the periscope 2 comprises a semi-reflecting plate 21 and a mirror 22.
  • this semi-reflecting plate 21 and this mirror 22 are perfectly parallel, which has the effect that the emerging rays ⁇ transmitted directly and r 2 transmitted after two reflections, are themselves perfectly parallel.
  • the separating periscope 3 comprises a semi-reflecting plate 31, a first mirror 32. It also comprises a second mirror 33, parallel both to the mirror 32 and to the semi-reflecting plate 31. It is known that the association of two separating periscopes of this type positioned symmetrically with respect to each other as shown in FIG. 5, produces a Mach-Zehnder interferometer in which the path difference between the optical paths of the two channels is due to the crossing of these two separating periscopes 2 and 3 according to the thicknesses e1 and e2 shown in FIG. 5.
  • a compensation plate 6 of thickness e1 + e2 is placed on the short optical path of the Mach-Zehnder, that is to say the one which does not cross the glass thicknesses e1 and e2.
  • a temperature stabilized Mach-Zehnder interferometer is thus produced.
  • a fiber optic device implementing the interferometer 1 is shown in FIG. 5.
  • An input fiber 7 carrying an interleaved light flux associating two combs of wavelength P1 and P2 is coupled to the interferometer 1 by l 'via a collimating lens 10.
  • the end of the optical fiber 7 is placed at the focal point of this lens 10.
  • the emerging beams r 3 and r 4 respectively are coupled to the fibers 8 and 9 by means of lenses 11 and 12, the end of the fibers being placed at the focus of each of these lenses.
  • a beam entering by the input fiber 7 comprising combs of interleaved wavelengths leaves this device by being separated respectively on the output fiber 8 and on the output fiber 9 as far as the path difference e1 and e2 between the two Mach-Zehnder routes have been adapted.
  • FIG. 6 is a representation of a simplified device ensuring the same functionalities as that of FIG. 5.
  • the interferometer 1 used in this device comprises a single separating periscope 4 associated with a mirror 5. Beams ⁇ and r leaving this separating periscope are reflected by the mirror 5 and returned thereon after reflection respectively on the plate semi-transparent 31 and on the mirror 33. This device produces two output beams respectively r 3 and r 4 .
  • the beam r 4 being superimposed, but opposite to the input beam r, a circulator 17 allows the separation of these flows without loss of energy, the input fiber 7 supplying the beam r and the output fiber 9 receiving the output stream r. This situation is naturally encountered in the case where the mirror 5 is perpendicular to the emerging beams ⁇ and r 2 of the separating periscope 4.
  • the compensation plate 6 then has a thickness e1 of thickness equal to the difference in thickness of glass traversed, respectively by each of the channels of the Mach-Zehnder interferometer thus produced.
  • FIG 7 there is shown schematically a third embodiment of the invention, operating according to a principle similar to that of Figure 6, in which to avoid the implementation of a circulator such as circulator 17 , the mirror 5 has been slightly inclined so as to spatially separate the emerging beam r 4 from the incident beam r.
  • a circulator such as circulator 17
  • the beam ⁇ undergoes a total of two transmissions and no reflection, while the beam r 2 undergoes two reflections at each crossing of a periscope, therefore four in all.
  • This different number of reflections and transmissions can induce a sensitivity of the interferometer (path difference, loss and modulation rate) to the polarization state of the incident wave.
  • this disadvantage can be avoided by placing, on each beam ri, r 2 , an anisotropic optical element 18, 19, 181, 191, making it possible to obtain a response from the interferometer independent of the incident polarization. .
  • these anisotropic optical elements can be neutral birefringent blades ⁇ / 2, 18, 19 whose neutral axes are at 45 ° from the plane of incidence.
  • these elements could be neutral birefringent blades ⁇ / 4 181, 191 which will be crossed twice by the beam and whose neutral axes are at 45 ° from the plane of incidence.
  • a cavity 61 placed on the long track of the Mach interferometer- Zehnder and containing either a rarefied gas, a gas stable in temperature or even regulated in temperature.
  • the device of the invention When the device of the invention is equipped with such a stabilizing element 61, the path difference between the two arms being exclusively due to the propagation of the beam inside this stabilizing element, it is freed from any risk of drift thermal.
  • the adjustment of the inclination of the periscopes relative to the input and output beams allows fine adjustment of the path difference between the two channels. This adjustment does not affect the parallelism of the beams with respect to each other.

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Abstract

L'invention a pour objet un interféromètre optique (1) à deux ondes définissant deux chemins de longueurs optiques différentes et comportant au moins un périscope séparateur (2, 3, 4) formant un interféromètre de Mach-Zehnder. Conformément ô l'invention, l'interféromètre (1) comporte, sur le chemin court de l'interféromètre (1), une lame de compensation (6) taillée dans un verre de même nature que les périscopes séparateurs (2, 3, 4) et ayant pour épaisseur la différence des épaisseurs de verre des périscopes séparateurs (2, 3, 4) traversées respectivement par chacune des ondes. L'invention est applicable aux dispositifs de transmission par fibres optiques et multiplexés en longueur d'onde.

Description

Interféromètre optique à deux ondes stabilisé en température et dispositif d'intercalage en longueur d'onde l'incorporant
Le développement des télécommunications par fibres optiques a fait apparaître l'intérêt du multiplexage en longueur d'onde de nombreux signaux également décalés en fréquence.
C'est dans ce cadre que des dispositifs dits « d'intercalage » (interleaver) ont été utilisés et dans lesquels deux peignes de longueurs d'onde multiplexées tels que représentés respectivement sur les figures 1 et 2, sont adressés sur les entrées E1 et E2 d'un interféromètre à deux ondes.
La réponse de l'interféromètre pour chacune des entrées E1 et E2 étant respectivement R1 et R2, le réglage convenable de l'interféromètre permet le multiplexage des deux peignes de longueur d'onde respectivement P1 et P2, sans perte significative d'énergie. On comprend ainsi l'intérêt de ces dispositifs qui ont été précédemment décrits.
Plus précisément, de manière traditionnelle, on a réalisé un tel interféromètre à deux ondes, à fibre optique, en utilisant deux coupleurs, le premier coupleur d'entrée est C1 séparant les deux ondes qui, après avoir subi des chemins optiques différents, sont recombinés par le coupleur C2.
Un ajustement de la différence de marche entre les deux chemins optiques permet de réaliser l'intercalage des deux peignes de longueur d'onde respectivement P1 et P2 tels que représentés sur la figure 3.
On a ainsi décrit le fonctionnement de ce dispositif en tant que multiplexeur, réalisant l'intercalage des peignes de longueur d'onde. Bien entendu, un tel dispositif est réversible et peut, dans le sens inverse, en tant que démultiplexeur, séparer des peignes de longueurs d'onde intercalés.
On a constaté un défaut de ce type d'interféromètre de Mach-Zehnder dans la mesure où la différence de marche entre les deux chemins optiques est égale à la différence de longueur des fibres multipliée par l'indice de la fibre, et que, donc, cette différence de marche entre les deux chemins parcourus respectivement dans l'une et l'autre de ces fibres, est fortement sensible à la température à cause des variations de l'indice. Le but de l'invention est de proposer un interféromètre optique à deux ondes et un dispositif d'intercalage et de dissociation d'un ensemble de signaux multiplexe en longueur d'ondes et qui soit stable en température.
A cet effet, l'invention concerne un interféromètre optique à deux ondes définissant deux chemins de longueurs optiques différentes et comportant au moins un périscope séparateur.
Selon l'invention, il comporte sur le chemin court de l'interféromètre une lame de compensation taillée dans un verre de même nature que les périscopes séparateurs et ayant pour épaisseur la différence des épaisseurs de verre des périscopes séparateurs traversées respectivement par chacune des ondes.
Dans différents modes de réalisation présentant chacun des avantages spécifiques et susceptibles d'être combinés :
- il comporte des moyens de couplage permettant son utilisation dans un système à fibres optiques.
- il comporte deux périscopes séparateurs.
- il comporte un périscope séparateur, une lame de compensation et un miroir, le périscope et la lame de compensation étant traversés symétriquement avant et après réflexion sur le miroir. - il comporte des moyens d'orientation du périscope permettant un réglage fin de l'interféromètre.
- il comporte une cavité stabilisée en température, placée sur la voie longue de l'interféromètre et dont la longueur est égale à la différence de longueur entre les deux voies. L'invention concerne également un dispositif d'intercalage d'un ensemble de signaux multiplexes en longueur d'onde.
Selon l'invention, ce dispositif comporte un interféromètre tel que celui défini plus haut.
L'invention concerne encore un dispositif de dissociation d'un ensemble de signaux multiplexes en longueur d'onde. Ce dispositif comporte lui aussi, un interféromètre tel que celui défini plus haut.
La figure 1 est une représentation d'un premier peigne de longueur d'ondes P1. La figure 2 est la représentation d'un deuxième peigne de longueur d'ondes P2.
La figure 3 est la représentation de ces peignes de longueur d'ondes intercalés. La figure 4 est une représentation d'un interféromètre de Mach Zenhder de l'art antérieur, réalisé en fibres optiques.
La figure 5 est une représentation d'un dispositif d'intercalage selon l'invention, dans un premier mode de réalisation.
La figure 6 est une représentation d'un dispositif d'intercalage selon l'invention, dans un deuxième mode de réalisation.
La figure 7 est une représentation d'un dispositif d'intercalage selon l'invention, dans un troisième mode de réalisation.
Sur la figure 5, on a donc représenté un interféromètre de Mach- Zehnder 1 , réalisé par l'association de deux périscopes séparateurs respectivement 2 et 3.
Le périscope 2 comporte une lame semi-réfléchissante 21 et un miroir 22.
Par construction, cette lame semi-réfléchissante 21 et ce miroir 22 sont parfaitement parallèles, ce qui a pour effet que les rayons émergeants π transmis directement et r2 transmis après deux réflexions, sont eux-mêmes parfaitement parallèles.
De même, le périscope séparateur 3 comporte une lame semi- réfléchissante 31 , un premier miroir 32. Il comporte également un deuxième miroir 33, parallèle à la fois au miroir 32 et à la lame semi-réfléchissante 31. II est connu que l'association de deux périscopes séparateurs de ce type positionnés symétriquement l'un par rapport à l'autre tels que représentés sur la figure 5, produit un interféromètre de Mach-Zehnder dans lequel la différence de marche entre les chemins optiques des deux voies est due à la traversée de ces deux périscopes séparateurs 2 et 3 selon les épaisseurs e1 et e2 figurant sur la figure 5.
La différence de marche ainsi produite résultant de la traversée des faisceaux dans des éléments de verre a donc l'inconvénient d'être sensible à la variation de température qui est ainsi susceptible d'affecter cette différence de marche. Selon l'invention, une lame de compensation 6 d'épaisseur e1 + e2 est placée sur le chemin optique court du Mach-Zehnder, c'est à dire celui qui ne traverse pas les épaisseurs de verre e1 et e2.
Ainsi, en cas de variation de température, les variations d'épaisseur et d'indice auront des effets comparables sur chacune des voies.
On réalise ainsi un interféromètre de Mach-Zehnder stabilisé en température.
La différence de marche entre les deux chemins optiques est alors le résultat de la différence de longueur des chemins e1 + e2 dans l'air. Un dispositif à fibres optiques mettant en œuvre l'interféromètre 1 est représenté sur la figure 5. Une fibre d'entrée 7 portant un flux lumineux intercalé associant deux peignes de longueur d'ondes P1 et P2 est couplée à l'interféromètre 1 par l'intermédiaire d'une lentille de collimation 10. L'extrémité de la fibre optique 7 est placée au foyer de cette lentille 10. De manière analogue, en sortie, les faisceaux émergeants respectivement r3 et r4 sont couplés aux fibres 8 et 9 par l'intermédiaire des lentilles 11 et 12, l'extrémité des fibres étant placée au foyer de chacune des ces lentilles.
Ainsi, un faisceau entrant par la fibre d'entrée 7 comportant des peignes de longueurs d'onde intercalés sort de ce dispositif en étant séparé respectivement sur la fibre de sortie 8 et sur la fibre de sortie 9 pour autant que la différence de marche e1 et e2 entre les deux voies du Mach-Zehnder ont été adaptées.
La figure 6 est une représentation d'un dispositif simplifié assurant les mêmes fonctionnalités que celui de la figure 5.
L'interféromètre 1 mis en œuvre dans ce dispositif comporte un périscope séparateur 4 unique associé à un miroir 5. Des faisceaux η et r sortant de ce périscope séparateur sont réfléchis par le miroir 5 et renvoyés sur celui-ci après réflexion respectivement sur la lame semi-transparente 31 et sur le miroir 33. Ce dispositif produit deux faisceaux de sortie respectivement r3 et r4. Le faisceau r4 étant superposé, mais de sens inverse au faisceau d'entrée r, un circulateur 17 permet la séparation de ces flux sans perte d'énergie, la fibre d'entrée 7 fournissant le faisceau r et la fibre de sortie 9 recevant le flux de sortie r . Cette situation se rencontre bien entendu dans le cas où le miroir 5 est perpendiculaire aux faisceaux émergeants ^ et r2 du périscope séparateur 4.
La lame de compensation 6 a alors une épaisseur e1 d'épaisseur égale à la différence d'épaisseur de verre traversée, respectivement par chacune des voies de l'interféromètre de Mach-Zehnder ainsi réalisé.
Dans la figure 7, on a représenté de façon schématique un troisième mode de réalisation de l'invention, fonctionnant selon un principe analogue à celui de la figure 6, dans lequel pour éviter la mise en œuvre d'un circulateur tel que le circulateur 17, le miroir 5 a été légèrement incliné de manière à séparer spatialement le faisceau émergeant r4 du faisceau incident r.
Sur cette figure 7, les inclinaisons du miroir 5 et des rayons ont été représentées de façon approximative.
On a constaté que les faisceaux ri et r2 produits par le périscope séparateur, subissent avant leur recombinaison et quelque soit le mode de réalisation, un nombre de réflexions et de transmissions différent.
La réflexion éventuelle sur le miroir 5 étant mise à part, le faisceau η subit au total deux transmissions et aucune réflexion, alors que le faisceau r2 subit deux réflexions à chaque traversée d'un périscope, donc quatre en tout.
Ce nombre différent de réflexions et de transmissions peut induire une sensibilité de l'interféromètre (différence de marche, perte et taux de modulation) à l'état de polarisation de l'onde incidente.
Dans un mode de réalisation préféré, on peut éviter cet inconvénient en plaçant, sur chaque faisceau r-i, r2, un élément optique anisotrope 18, 19, 181 , 191 , permettant d'obtenir une réponse de l'interféromètre indépendante de la polarisation incidente.
Dans un premier mode de réalisation illustré à la figure 5, ces éléments optiques anisotropes peuvent être des lames neutres biréfringentes λ/2, 18, 19 dont les axes neutres sont à 45° du plan d'incidence.
Dans les autres modes de réalisation mettant en œuvre un miroir 5, ces éléments pourraient être des lames neutres biréfringentes λ/4 181 , 191 qui seront traversées deux fois par le faisceau et dont les axes neutres sont à 45° du plan d'incidence.
Dans l'un ou l'autre des trois modes de réalisation décrits, afin d'améliorer encore la stabilisation en température, il est intéressant de mettre en œuvre une cavité 61 placée sur la voie longue de l'interféromètre de Mach- Zehnder et contenant soit un gaz raréfié, un gaz stable en température ou encore régulé en température.
Lorsque le dispositif de l'invention est équipé d'un tel élément stabilisateur 61, la différence de marche entre les deux bras étant exclusivement due à la propagation du faisceau à l'intérieur de cet élément stabilisateur, il est affranchi de tout risque de dérive thermique.
On comprend que, comme les dispositifs de l'art antérieur, celui de l'invention est réversible et peut constituer soit un dispositif d'intercalage d'un ensemble de signaux multiplexes en longueur d'onde soit un dispositif de séparation d'un tel ensemble de signaux, selon le sens de son utilisation.
Par ailleurs, le réglage de l'inclinaison des périscopes par rapport aux faisceaux d'entrée et de sortie, dans le plan de la représentation des figures, permet le réglage fin de la différence de marche entre les deux voies. Ce réglage n'affecte pas le parallélisme des faisceaux les uns par rapport aux autres.

Claims

REVENDICATIONS 1. Interféromètre optique (1) à deux ondes définissant deux chemins de longueurs optiques différentes et comportant au moins un périscope séparateur (2, 3, 4), caractérisé en ce qu'il comporte, sur le chemin court de l'interféromètre
(1), une lame de compensation (6) taillée dans un verre de même nature que les périscopes séparateurs (2, 3, 4) et ayant pour épaisseur la différence des épaisseurs de verre des périscopes séparateurs (2, 3, 4) traversées respectivement par chacune des ondes.
2. Interféromètre optique à deux ondes selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de couplage (10, 11, 12) permettant son utilisation dans un système à fibres optiques (7, 8, 9).
3. Interféromètre optique à deux ondes selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux périscopes séparateurs (2, 3, 4).
4. Interféromètre optique à deux ondes selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un périscope séparateur (2, 3, 4), une lame de compensation (6) et un miroir (5), le périscope (2, 3, 4) et la lame de compensation (6) étant traversés symétriquement avant et après réflexion sur le miroir (5).
5. Interféromètre optique à deux ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'orientation du périscope (2, 3, 4) permettant un réglage fin de l'interféromètre (1).
6. Interféromètre optique à deux ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité stabilisée (61) en température, placée sur la voir longue de l'interféromètre (1) et dont la longueur est égale à la différence de longueur entre les deux voies.
7. Interféromètre optique à deux ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que il comporte un élément optique anisotrope (18, 19, 181 , 191) placé sur chacun des deux chemins optiques et permettant d'obtenir une réponse de l'interféromètre indépendante de la polarisation incidente.
8. Dispositif d'intercalage d'un ensemble de signaux multiplexes en longueur d'onde, caractérisé en ce qu'il comporte un interféromètre (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
9. Dispositif de dissociation d'un ensemble de signaux multiplexes en longueur d'onde, caractérisé en ce qu'il comporte un interféromètre (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
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