PARAMETRES

La présente invention concerne un dispositif de mesure à fibre optique dans lequel l'élément sensible est une fibre dont les propriétés varient en fonction des paramètres à mesurer.

Des dispositifs de ce type sont développés depuis plusieurs années et on pourra, par exemple, se référer à l'ouvrage "OPTICAL FIBER SENSORS", édité par B. CULSHA et J. DAKIN, ARTECH HOUSE (1989) .

Plus particulièrement, des capteurs polarimétriques à fibre biréfringente ont été développés. Dans ces capteurs connus, le paramètre mesuré produit une variation de la biréfringence d'une fibre optique. Un faisceau lumineux polarisé linéairement est couplé à cette fibre. Il est analysé après transmission de manière à mesurer le déphasage introduit par la fibre entre les deux modes orthogonaux polarisés linéairement (voir l'article VARNHA ET AL. "ELECTRONICS LETTERS" - 18 août 1983 - Vol. 19 n° 17) . Le paramètre à mesurer pouvant être, en particulier, la température ou bien la déformation longitudinale, par exemple.

Il a également été proposé (FR-A-2 626 367) de réaliser un capteur multipoint de température à fibre optique. Dans ce dispositif, un flux lumineux de faible cohérence temporelle et polarisé est couplé à une fibre optique à biréfringence comportant un certain nombre de points de couplage faible. Le flux entrant est couplé à l'un des modes, par exemple au mode rapide, de la fibre. A chacun de ces points de couplage, une faible partie de l'énergie de ce mode de polarisation est transmise à l'autre mode de polarisation. On produit l'interférence des ondes sortantes sur chacun des modes en plaçant un polariseur à 45° des axes neutres de la fibre, et on

analyse le flux transmis avec un interféro ètre de MICHELSON et 1'interférogram e ainsi fourni permet d'accéder à la différence de phase introduite par chacun des tronçons de fibre compris entre deux des points de couplage.

Il a été montré (article "USE OF HIGHLY ELLIPTICAL CORE FIBER FOR T O-MODE FIBER DEVICES" par B. Y. KIM ET AL. "OPTICS LETTERS" - septembre 1987 - vol. 12 n° 9) qu'au lieu de mesurer les interférences entre les deux polarisations d'une fibre biréfringente monomode spatialement, il est possible d'avoir des interférences avec une sensibilité comparable avec une fibre non - biréfringente possédant quelques modes spatiaux, c'est-à- dire en fait une fibre ayant un coeur de faible diamètre utilisée avec une source de longueur d'onde inférieure à sa longueur d'onde de coupure. En particulier, juste en- dessous de cette longueur d'onde de coupure, la fibre possède trois modes spatiaux : le mode LP _Q1 fondamental et deux modes antisymétriques LP _lχ à deux lobes. Dans une fibre à coeur circulaire, ces deux modes P _1;L sont quasi- dégénérés, ce qui procure des instabilités. C'est pourquoi il a été proposé d'utiliser une fibre à coeur très elliptique. Dans ce cas, le mode LP _1;L dont les deux lobes sont 'alignés sur le grand axe du coeur elliptique (noté ^LP IIG P ^{r la} suite) est guidé tout comme le mode fondamental LP _Q1 , alors que le mode LP _1;L dont les deux lobes sont alignés sur le petit axe du coeur elliptique (noté LP _llp par la suite) n'est pas guidé. Une telle fibre ne possède donc plus que deux modes spatiaux : le mode LP ₀₁ et le mode LP _11G , et l'analyse des interférences entre ces deux modes permet de détecter des paramètres comme la température ou la déformation longitudinale d'une manière comparable à la mesure faite avec une fibre monomode spatialement avec deux modes de polarisation.

Par ailleurs, il a été proposé de noyer des fibres optiques de mesure dans des matériaux, par exemple des matériaux composites, et de mesurer les propriétés optiques de ces fibres de manière à caractériser l'état de ces matériaux. On a également suggéré, (par exemple dans le brevet FR-A-2 626 367 déjà cité) d'utiliser les propriétés des fibres optiques fortement biréfringentes pour mesurer des températures. On constate, dans ces applications, que les propriétés optiques des fibres de mesure dépendent simultanément de leur déformation et de la température. La contribution de chacun de ces paramètres est difficile à isoler et les méthodes utilisées jusqu'à présent pour cela

(par exemple l'utilisation d'une référence) conduisent à la réalisation de dispositifs de mesure relativement complexes.

Spajer et al (Optics Communications Vol. 60 N°5 décembre 1986, pages 261-264) ont proposé d'éviter l'utilisation d'une fibre de référence et le problème de sa température en exploitant trois modes spatiaux se propageant dans une fibre de mesure non - biréfringente. La mesure de deux paramètres, la pression et la température, peut être obtenue lorsqu'ils sont liés aux différences de phase entre les modes considérés par des relations linéaires indépendantes. Certains résultats ont ainsi été obtenus, toutefois une forte dépendance des relations entre les différences de phase et les paramètres a été constatée. Cette dépendance est probablement due au fait que les différences de phases créées entre trois modes spatiaux , pris deux à deux ont pour origine un même phénomène physique.

Le but de la présente invention est la réalisation d'un dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres qui permet d'obtenir une grande précision, assure la mesure simultanée de plusieurs paramètres en un

. même point et permet de séparer la contribution de chacun d'eux.

A cet effet, le dispositif de l'invention comporte: - une source lumineuse, au moins une fibre optique sensible aux paramètres mesurés présentant des modes stables excités par la source lumineuse, une variation de chaque paramètre mesuré introduisant des déphasages entre différents modes,

- au moins un moyen de couplage séparant la lumière incidente entre ces modes de mesure,

- au moins un détecteur recevant le flux lumineux résultant de l'interférence des modes de mesure,

- une unité de traitement électronique assurant l'extraction des valeurs des paramètres mesurés à partir des signaux sortant des détecteurs.

Selon l'invention, l'une au moins des fibres sensibles présente au moins trois modes stables de mesure, le déphasage entre les modes de chacun des couples dépendant des paramètres mesurés avec des lois linéairement indépendantes, des moyens d'analyse produisant au moins deux mesures séparées des déphasages entre les modes de chacun des couples. Lesdits couples de modes stables de mesure sont respectivement les modes polarisés linéairement LP^ à deux lobes, un couple étant composé de deux modes ^LP n ^e même polarisation et de structure spatiale orthogonale ^LP _ll P/ _G P ^ar exemple), l'autre couple étant composé de deux modes LP^ de même structure spatiale et de polarisation orthogonale ( ^LP HG/G' ^LP ₁ 1 _G /P ^par exemple) .

La fibre sensible est avantageusement une fibre à biréfringence de contrainte avec un coeur légèrement elliptique, utilisée au delà de la coupure. Les fibres

dites "Bow-tie" de YORK TECHNOLOGY possèdent ces caractéristiques.

La légère ellipticite du coeur (rapport petit axe sur grand axe de l'ordre de 0,7 à 0,9) assure deux modes ^Lp n stables sans pour autant empêcher le guidage du mode

^LP 11P ^COIwne ό- ^ans le cas d'une forte ellipticite. Une telle fibre a donc six modes stables de mesure possible : trois modes spatiaux LPQI' ^LP 11G ^{et LP} 11P subdivisés chacun en deux polarisations linéaires parallèles soit au grand axe soit au petit axe. Ces six modes seront notés par la suite

^LP 01/G' ^LP 01/P' ^LP 11G/G' ^LP 11G/P' ^LP 11P/G ^{et LP} 11P/P*

De préférence, les trois modes stables de mesure seront un mode LP _llf le mode P _1;L de même distribution spatiale et de polarisation orthogonale et le mode LP _1;L de même polarisation et de distribution spatiale orthogonale, soit par exemple ^LP HG/G' ^LP 11G/P' ^LP 11P/G' ^ ^{es m} °des antisymétriques LP _1;L possèdent en effet une similitude intéressante avec les modes de polarisation. Ils ont aussi une orientation spatiale et leur différence de vitesses sont comparables à celles des modes de polarisation.

L'invention sera décrite plus en détail en référence aux figures annexées dans lesquelles :

La figure 1 est un schéma de principe du dispositif de l'invention. - La figure 2 est une représentation des modes spatiaux de la fibre optique de mesure concernés par l'invention.

- La figure 3 est une représentation schématique de la section d'une fibre optique utilisable comme fibre de mesure.

- La figure 4 est une représentation du séparateur de modes utilisable en sortie de fibre de mesure.

- La figure 5 est une représentation du dispositif de l'invention en interféro étrie en lumière blanche.

- La figure 6 est une représentation des trains d'onde produit par une source à spectre large.

- La figure 7 est une représentation de 1'interferogramme produit par interférences des trains d'onde représentées sur la figure 6.

- La figure 8 est un schéma du dispositif de mesure multipoints conformes à l'invention.

- La figure 9 est une représentation du principe de fonctionnement de ce dispositif de mesure multipoints. - La figure 10 est la représentation d'un interferogramme produit par l'un des interféromètres d'analyse.

L'élément sensible du dispositif de mesure est une fibre optique dite "fibre sensible" à biréfringence de contrainte et coeur légèrement elliptique ne présentant qu'un nombre limité de modes spatiaux. En pratique, telle que représentée sur la figure 2, on considère un mode fondamental symétrique L ^p oχ à un lobe et deux modes secondaires antisymétriques orthogonaux LP _11G et LP _llp à deux lobes. Chacun de ces modes spatiaux est décomposé en deux modes linéairement polarisés, orthogonaux (respectivement LP _Q1/p , LP _Q1/G , P _11G/p , LP _11G/G , LP _llp/p ,

^LP 11P/G> '

Deux mesures indépendantes de déphasage sont faites, d'une part entre deux modes de polarisation différents d'un même mode spatial, d'autre part entre deux modes spatiaux différents et de même polarisation. Ainsi, on réalise une double mesure des deux paramètres recherchés et les deux lois qui lient les déphasages aux paramètres étant linéairement indépendantes, on peut séparer l'effet de chacun des deux paramètres et obtenir deux mesures précises, simultanées et indépendantes.

La fibre optique sensible a donc la propriété de présenter des modes spatiaux stables LP _11G et LP, _lp . Il

T s'agit par exemple d'une fibre à biréfringence de contraintes de type "Bow-tie". A titre d'exemple, une fibre de ce type est représentée sur la figure 3. Elle présente un coeur légèrement elliptique 33 qui assure la propagation des deux modes LP-^ spatiaux à des vitesses légèrement différentes. Cette différence de vitesses évite les couplages entre ces deux modes spatiaux. Chaque mode spatial est décomposé en deux modes de polarisation orthogonaux. Lors de leur fabrication, le coeur 33 de ces fibres est entouré de deux barreaux 34 de verre dopé qui se contractent fortement au refroidissement après 1'étirage de la préforme. Ils sont noyés dans la gaine optique 35. La région du coeur est ainsi soumise à des contraintes anisotropes, ce qui crée une biréfringence élasto-optique.

Le dispositif de mesure comporte une source S couplée à une fibre de mesure 1 de manière à favoriser le couplage d'au moins trois des modes P _l:L . A cet effet, un polariseur 2 est placé entre la source S et la fibre de mesure 1.

Des paramètres P^ et P ₂ appliqués à cette fibre de mesure 1 produisent une différence de phase <S ₁ (P ₁ , P ₂ ) entre par exemple le mode LP _11G , _G et le mode LP _11G , _p et £$ ₂ - ^p _i ' ^p 2^ entre le mode LP _11G , _G et le mode L ^p np/ _G * L'expérience a montré que 5 ₁ (P ₁ , P ₂ ) et δ ₂ (P ₁ ,

P ₂ ) sont des fonctions ou lois linéairement indépendantes de telle sorte que, par étalonnage, les fonctions P^_ ( ^Si ± _ι 5§ ₂ ) et P ₂ (<5Φ. ' * ^φ 2^ sont accessibles. Les mesures de 5 ₁ et 5Φ ₂ permettent ainsi d'obtenir les valeurs de P^. ^e ^ ^p recherchées.

Les déphasages δi ₁ ( ₁ , P ₂ ) et 5Φ ₂ (P ₁ , P ₂ ) entre le mode ^LP np/p ^et respectivement LP _llp / _G et ^LP HG/P sont également des fonctions indépendantes permettant la réalisation de la mesure.

S

De manière générale, des déphasages obtenus respectivement entre des couples de modes spatiaux différents pour un même état de polarisation ou entre des couples de modes de polarisation différents pour un même état spatial fourniraient des fonctions _χ et Φ ₂ linéairement dépendantes ne permettant pas l'extraction de ^p l et P ₂ .

Des fonctions i^ et Φ ₂ linéairement indépendantes sont obtenues lorsque ces fonctions représentent les déphasages entre un couple de modes spatiaux différents de même polarisation, d'une part, et un couple de mode de polarisation différent de même état spatial, d'autre part.

A la sortie de la fibre de mesure 1, les trois modes L_> _1;L sont recombinés deux à deux par le moyen d'analyse 4 afin de créer des interférences.

Pour séparer ou recombiner deux modes de même structure spatiale et de polarisation orthogonale, par exemple LP _11G ; _{G et} ^LP HG/P' H ^{est connu} qu'il faut placer un polariseur à 45° des axes neutres de biréfringence. Les deux polarisations se projettent sur la même direction intermédiaire à 45° et peuvent donc interférer. Pour séparer ou recombiner deux modes de même polarisation et de structure spatiale différente, il faut réaliser une opération équivalente de projection. Pour deux modes LP _1:L de structure spatiale orthogonale, par exemple P _11G , _G et LP _{llp G} , une solution particulièrement intéressante consiste à placer en sortie de la fibre, une fibre identique mais avec une rotation de 45° des axes du coeur elliptique. Les deux modes spatiaux LP^ se répartissent chacun sur les deux modes spatiaux LP _lχ de la fibre à 45°. Il faut donc ensuite séparer ces modes pour opérer une fonction équivalente au polariseur dans le cas des modes de polarisation.

Le dispositif comporte avantageusement une fibre amorce et une fibre de sortie, placées de part et d'autre de la fibre de mesure, et de même structure que celle-ci.

Les axes de la fibre amorce et de la fibre de sortie sont orientés à 45° des axes de la fibre de mesure ; elles assurent respectivement la séparation et la recombinaison des modes de structures spatiales différentes d'une part et des modes de polarisation différentes d'autre part.

La séparation peut aussi être obtenue par découplage par prisme (voir l'article W.V. SORIN et al. "PHASE VELOCITY MEASUREMENT USING PRISM OUTPUT COUPLING FOR SINGLE AND FEW MODES OPTICAL FIBER" - OPTICS LETTERS, 11, pl06-108, 1986) avec la fibre polie latéralement et placé en contact avec un milieu d'indice supérieur au coeur de la fibre.

Notons que cette méthode du découplage par prisme peut être aussi utilisée pour séparer les deux polarisations (voir l'article H. C. LEFEVRE et al. "HIGH SELECTIVITY POLARISATION SPLITTING FIBER COUPLERS" S.P.I.E. Vol. 988 (1988), p63-69) .

Pour réaliser le dérivateur à prisme 3 (figure 4) , on place la fibre 7 dans un support 8 qui lui donne une courbure et permet son polissage jusqu'au voisinage du coeur. Le coeur de la fibre est alors mis en contact avec un milieu 9 d'indice supérieur à son propre indice.

Chacun des modes ( P _11G/p , ^LP HG/G' ^LP 11P/P' LP _{llp G} ) a une vitesse de propagation différente de celle des autres de telle sorte qu'il se réfracte au passage dans le milieu 9 selon un angle qui lui est propre. Les modes sont ainsi géométriquement séparés. Au moins un détecteur 30 mesure le flux lumineux produit. Il fournit un signal à l'unité de traitement 40 qui assure, après étalonnage,

l'extraction des valeurs ^ et P ₂ des paramètres à partir de Φ^ et Φ ₂ -

Si une telle fibre de mesure peut être utilisée dans un montage interférornétrique classique, il est particulièrement intéressant d'utiliser les techniques d'interférométrie en lumière blanche (figure 5). Dans ce cas, la source S à spectre large peut être considérée comme émettant des trains d'onde 10 de longueur égale à la longueur de cohérence de la source. Le train d'onde est couplé sur au moins trois des modes de la fibre, par exemple LP _11G ; _G , ^LP 11G/P ^{et LP} 11P/G _' ^A l'extrémité de l'élément de fibre sensible, le train d'onde initiale 10 est décomposé en trois trains d'onde 11, 12, 13 séparés temporellement à cause de la différence de vitesses des modes. Ces trois trains d'onde 11, 12, 13 sont recombinés par le moyen d'analyse 4 mais ne peuvent pas interférer car ils n'ont pas de recouvrement temporel. L'information de déphasage est cependant codée spectralement et peut être restituée en faisant passer ces trois trains recombinés dans un interféromètre d'analyse 14 qui a une différence de marche variable. Le contraste des franges réapparaît alors quand la différence de marche de 1•interféromètre de relecture compense les déphasages de la fibre de mesure, la mesure des différences de marche restaurant un maximum local de contraste permet de détecter à distance les déphasages 5Φ^(P ₁ , P ₂ ) , 5Φ ₂ (P ₁ , P ₂ ) deux à deux entre les trois modes.

L'interféromètre de relecture 14 peut être un interféromètre de MICHELSON par exemple ou bien un interféromètre à coin d'air où 1'interferogramme est projeté sur une barrette de photodiodes. Ces interféromètres sont en eux-mêmes connus.

On a jusqu'à présent décrit un dispositif de mesure à fibre optique permettant de réaliser des mesures en un

A_ point, plus précisément d'accéder aux effets cumulés des paramètres observés sur toute la longueur de la fibre de mesure. Ce dispositif est bien adapté à la réalisation de mesures multiplexées, c'est-à-dire aux mesures indépendantes de l'effet des paramètres étudiés P^ et P ₂ entre différents points successifs A ₁ , A ₂ , A ₃ , etc.. d'une même fibre optique.

A cet effet, (figures 8 à 10) on crée à chacun de ces points k^ , A ₂ , A ₃ , etc.. un léger couplage entre les différents modes transitant dans la fibre de mesure 1. Ces points de couplage sont en pratique réalisés en produisant sur la fibre, en un point donné, une légère torsion, en portant ce point à une certaine température puis en relâchant la torsion. Ces points de couplage produisent un transfert d'une partie de l'énergie contenue dans chacun des modes dans chacun des autres modes.

Les modes LP^ spatiaux ayant une orientation axiale similaire aux modes de polarisation linéaire, une rotation des axes de symétrie de la fibre de mesure crée un couplage entre un mode LP ₁₁ et le même mode spatial de polarisation orthogonale mais aussi un couplage de valeur similaire entre ce mode LP ₁₁ de départ et le mode LP _lχ spatialement orthogonal et de même polarisation. Le couplage dans le mode de structure spatiale et de polarisation orthogonale peut être considéré comme du deuxième ordre et donc négligeable.

Dans ce cas, le couplage de la source S à l'entrée de la fibre optique de mesure 1 est réalisé selon l'un des modes, par exemple le mode LP _11G , _G et la source lumineuse S à spectre large émet des trains d'onde.

A chaque point de couplage, le train d'onde émis (LP _{11G G} ) donne naissance à des trains d'ondes faibles selon les deux autres modes (L _11G , _p , ^L IIP/G) _" ⁰ⁿ obti nt donc en sortie de la fibre, un train principal et

une série de trains de faible intensité ( ^LP ι _iG /Pi) '

A la sortie de la fibre de mesure, on produit la recombinaison entre le flux lumineux contenu dans le mode initialement excité ^LP HG/G et les flux sortants dans les deux autres modes, ^LP HG/P et LP _llp , _G>

Le faisceau ainsi produit est porteur d'un codage spectral représentatif des valeurs de déphasage S . ^ et Si ₂ i iés à l'effet cumulé des paramètres ± et P ₂ entre les points de couplage faible _ et ^ ₊ ^ . Ces déphasages sont alors mesurés avec un interféromètre de relecture en recherchant les différences de marche qui restituent un maximum de contraste.

Plutôt que de recombiner les trois modes de mesure sur un même faisceau et de mesurer avec 1'interféromètre de relecture l'ensemble des déphasages ^. ^.i et 5Φ ₂ ^, il est aussi possible de recombiner en parallèle ou bien séquentiellement les modes d'orientation spatiale orthogonale entre eux indépendamment de la polarisation et les modes de polarisation orthogonale indépendamment de la structure spatiale. Les deux faisceaux de recombinaison sont alors envoyés sur un interféromètre de relecture, en parallèle ou séquentiellement, et les deux interférogrammes générés permettent de mesurer les valeurs δΦ^ ou bien ^δ *2i _* ^Cec i permet d'éviter que les remontées de contraste de déphasages 5 ₁ ^ qui interviendrait au même endroit que des remontées de déphasages $ ₂ perturbe la mesure.