Glossaire technique

Introduction

On peut considérer un faisceau de lumière comme étant composé de deux composantes de champ à vecteur électrique orthogonaux dont l'amplitude et la fréquence varient. La lumière est polarisée lorsque la phase et l'amplitude de ces deux composantes sont différentes. La polarisation dans les fibres optiques a fait l'objet d'une étude approfondie et de nombreuses méthodes sont disponibles soit pour atténuer soit pour exploiter le phénomène. Ce glossaire technique présente les principes de base et les fondements techniques afin de mieux comprendre le fonctionnement de la polarisation dans les fibres optiques. Pour des explications d’ordre plus général sur la polarisation, veuillez vous référer à voir Polarisation.

Manifestation de la polarisation dans les fibres optiques

Biréfringence dans les fibres optiques

La biréfringence est un terme utilisé pour décrire un phénomène qui se produit dans certains types de matériaux, dans lesquels la lumière est divisée en deux chemins différents. Ce phénomène se produit parce que ces matériaux ont des indices de réfraction différents selon la direction de polarisation de la lumière.
La biréfringence est également observée dans une fibre optique, du fait de la légère asymétrie de la section du cœur de la fibre dans la longueur et des contraintes externes appliquées sur la fibre, telles que la flexion. En général, la biréfringence induite par les contraintes est supérieure à celle induite par la géométrie.

Fibre à maintien de polarisation (FMP)

Une fibre spéciale appelée fibre à maintien de polarisation (FMP) crée volontairement un modèle de biréfringence régulier dans sa longueur, interdisant le couplage entre deux directions de polarisation orthogonales. Dans toute conception, la géométrie de la fibre et les matériaux utilisés crée une tension importante dans une direction, et donc une biréfringence importante comparée à celle générée par la biréfringence aléatoire. Un certain nombre de conceptions ayant recours à différentes architectures induisant des contraintes, telles que les fibres à maintien de polarisation « Panda » et « Bow Tie » sont disponibles sur le marché, avec différentes longueurs d’ondes de coupure.

Sphère de Poincaré

La sphère de Poincaré est l’une des manières classiques utilisées pour décrire la polarisation et les variations de polarisation d'une onde électromagnétique de propagation. Elle permet de prévoir, d'une manière pratique, la façon dont toute temporisation donnée peut modifier la forme de polarisation. Tout état de polarisation donné correspond à un point unique de la sphère. Les deux pôles de la sphère représentent la polarisation circulaire gauche et droite de la lumière. Les points sur l'équateur indiquent des polarisations linéaires. Tous les autres points de la sphère représentent des états de polarisation elliptique. Un point H choisi arbitrairement sur l'équateur désigne une polarisation linéaire horizontale, et le point V diamétralement opposé désigne une polarisation linéaire verticale.

Propriétés de la mesure de la polarisation

DDP

Le degré de polarisation (DDP) se définit comme suit :
DDP = I_pol / (I_pol + I_unp)
Où I_pol et I_unp sont les intensités de la lumière polarisée et de la lumière non polarisée.
Quand DDP = 0, la lumière est dite non polarisée et quand DDP = 1, il est complètement polarisée. Les cas intermédiaires correspondent à une lumière partiellement polarisée.

TE

Le taux d'extinction de polarisation est le taux de la puissance polarisée minimale et de la puissance polarisée maximale, exprimées en dB. Tout composant de polarisation déterminera cette valeur comme une caractéristique.

PDL

La perte dépendant de la polarisation (PDL) est la variation maximale (crête à crête) de la perte d'insertion car la polarisation d'entrée varie selon tous ses états ; elle est exprimée en dB.

DMP

La dispersion du mode de polarisation (DMP) est vraiment une autre forme de dispersion matérielle. Une fibre monomode prend en charge un mode, qui est en fait composé de deux modes de polarisation orthogonale. Idéalement, le cœur d'une fibre optique est parfaitement circulaire. Cependant, en réalité, le cœur n'est pas parfaitement circulaire, et des contraintes mécaniques telles que la flexion provoquent une biréfringence dans la fibre. Par conséquent, un des modes de polarisation orthogonale se déplace plus rapidement que l'autre, d'où une dispersion de l'impulsion optique.
La différence maximale dans les temps de propagation du mode due à cette dispersion est appelée retard différentiel de groupe (RDG), dont l'unité est la picoseconde. A cause de ses propriétés dynamiques, la DMP n'a pas de valeur simple et fixe pour une section de fibre donnée mais elle a une distribution des valeurs DGD dans le temps. La probabilité d'un RDG avec une certaine valeur à tout moment suit la distribution maxwellienne présentée sur la figure 2. On peut donner comme approximation un RDG instantané maximum de 3,2 fois le RDG moyen d'une fibre.

Contrôle de la polarisation dans une fibre optique

Méthodes de contrôle de la polarisation

Le contrôle de l'état de polarisation dans une fibre optique est similaire au contrôle de l'espace vide utilisant des lames à retard via des changements de phase dans les deux états orthogonaux de polarisation. On utilise généralement trois configurations.
Dans la première configuration, une lame demi-onde se trouve entre deux lames quart d'onde et les lames à retard peuvent tourner librement autour du faisceau optique l’une par rapport à l’autre. La première lame quart d'onde convertit une polarisation arbitraire à l'entrée en une polarisation linéaire. La lame demi-onde tourne donc la polarisation linéaire pour la placer dans un angle désiré de telle sorte que la seconde lame lame demi-onde puisse convertir la polarisation linéaire en n'importe quel état de polarisation désiré.
Un contrôleur de fibres fondé sur ce mécanisme peut être construit, avec plusieurs propriétés souhaitables telles qu’une faible perte d'insertion et un faible coût, comme le montre la figure 3. Dans ce système, trois bobines de fibre remplacent les trois lames à retard de l'espace libre. Le bobinage des fibres provoque des contraintes, en produisant une biréfringence inversement proportionnelle au carré du diamètre des bobines. En ajustant les diamètres et le nombre de tours, on peut créer une lame à retard. Comme en général la flexion de la fibre provoque une perte d'insertion, les bobines de fibre doivent rester relativement grandes.

La seconde approche est basée sur le compensateur de Babinet-Soleil. Un contrôleur de polarisation de fibre fondé sur cette technique est représenté sur la Figure 4. Le système se compose d’un dispositif de serrage de la fibre qui tourne autour de la fibre optique. L’application d’une pression sur la fibre produit une biréfringence linéaire, en créant par conséquent une lame d’onde dont le retard varie avec la pression. Ce type d’opérations simples de pression et tournage peuvent générer n’importe quel état de polarisation à partir d’une polarisation arbitraire à l’entrée. Les contrôleurs manuels de la F-POL-xx.

Les contrôleurs de polarisation peuvent aussi être composés de plusieurs lames d’onde en espace libre, orientées de 45° les unes des autres. Un appareil tout fibre fondé sur le même principe de fonctionnement devrait réduire la perte d’insertion et le coût. Le retard des composants de chaque lame d’onde varie avec la pression de chaque dispositif de pression de la fibre. Le défi consiste donc à rendre le système fiable, compact et rentable.
Les actionneurs piézoélectriques entraînent les dispositifs de pression de la fibre pour obtenir une vitesse élevée. Puisqu’il s’agit d’un un système tout fibre, il n’a pas de rétro-réflexion et possède une perte d'insertion extrêment faible et une perte qui varie en fonction de la polarisation. Tous les nouveaux instruments de contrôle de polarisation de la 25xxP.

Brouillage des modes de polarisation

Un brouilleur de polarisation change activement l’état de polarisation (EDP) en modulant ou en répartissant au hasard la polarisation. L’appareil peut fonctionner soit de manière résonante à des fréquences de brouillage plus élevées, soit de manière non résonante à des fréquences de brouillage plus basses. L’utilisation de la méthode de pression des fibres permet d’atteindre une faible modulation de phase résiduelle et une faible modulation d’amplitude résiduelle. Une faible modulation de phase résiduelle est importante pour éviter une interférence liée au bruit dans les systèmes optiques et une faible modulation d’amplitude résiduelle est critique pour l’utilisation du brouilleur pour mesurer la PDL et le DDP des appareils optiques.
La performance des brouilleurs est généralement mesurée grâce au degré de polarisation de la lumière brouillée pendant une certaine période de temps et grâce à l’uniformité de la couverture de l’état de polarisation de la sphère de Poincaré. Dans la pratique, la sensiblité en terme de longueur d'onde et de température de la performance du brouilleur sont également importantes pour des applications réelles.

Applications système

Vous trouverez ci-dessous des exemples d'applications système dans lesquelles les instruments de contôle de polarisation de Newport peuvent être utilisés.
D’abord, notre contrôleur de polarisation peut être utilisé avec un mécanisme de retour, pour compenser la PMD en contrôlant activement l’élément de retard différentiel de groupe (DGD), comme le montre la Figure 6.a. La Figure 6.b. présente un exemple dans lequel le contrôleur peut être utilisé afin de stabiliser le système en réduisant les effets de perte dépendant de la polarisation dans de nombreux composants optiques passifs. Si le système de multiplexage en longueur d’onde dense (DWDM) emploie l’entrelacement du multiplexage en division de polarisation (PDM), on utilise un contrôleur de polarisation dynamique (DPC), puis un polariseur afin de réduire la la diaphonie provoquée par la polarisation (Figure 6.c.) entre les canaux de longueur d’onde adjacents. La Figure 6.4d est une atténuation du gain dépendant de la polarisation (PDG) mise en place pour un système d’amplificateur optique. Un degré de polarisation faible réduit le gain dépendant de la polarisation. Enfin, la figure 6.4e présente un schéma de compensation pour un composant ou un module optique, où les fluctuations de puissance provoquées par la perte dépendant de de la polarisation sont contrôlées et atténuées.

Remerciement

Newport tient à remercier General Photonics pour son aide à la rédaction de ce glossaire technique.

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