Explication des fibres à maintien de polarisation

Fonction de la fibre PM

Le faisceau d'un laser source est transmis dans une fibre monomode grâce à deux modes de polarisation linéaire se propageant perpendiculairement l'un à l'autre. Imaginez un instant cette fibre comme un guide d'ondes monomode idéal :

Le matériau du noyau est absolument homogène (exempt d'impuretés, de bulles, de vides ou d'autres défauts) ; le revêtement et le noyau sont parfaitement sphériques et concentriques ; il n'y a ni courbures ni pertes (absorption, diffusion) ;

Les températures de la fibre et du laser source restent constantes ; la longueur d'onde du laser dépasse la longueur d'onde de coupure ; toute l'énergie du laser est contenue dans le cœur (pas de modes d'ordre supérieur) ; et il n'y a pas de contrainte latérale (pas de contrainte externe due au câblage, à l'emplacement, aux supports, etc., ni même, théoriquement, à la gravité ou à la pression de l'air).

Dans ce scénario hypothétique, les deux modes de polarisation atteindraient l'extrémité distante de la fibre en phase et avec une puissance égale. Il n'y aurait aucune connexion de puissance entre les deux modes le long de la fibre. Les deux modes de polarisation transmettraient le signal sans dispersion ni diaphonie si le signal de sortie du laser était modulé.

Cette situation hypothétique est évidemment irréalisable. Les guides d'ondes et les matériaux vitreux utilisés ne sont pas parfaits. Des non-uniformités et des asymétries submicroniques existent. De plus, lors du câblage et de l'installation de fibres monomodes dans des réseaux souterrains ou aériens, ces dernières subissent des contraintes latérales. Dans les boîtiers, les chambres de tirage, les armoires et autres structures, le fil peut se courber ou même présenter du mou. Ces phénomènes peuvent entraîner une propagation des modes de polarisation à des vitesses de groupe variables, provoquant ainsi une dispersion du signal modulé à l'extrémité de réception de la fibre. Dans le pire des cas, il devient impossible de distinguer les signaux analogiques des signaux numériques (0 et 1).

La bande passante ou la portée d'un système de communication par fibre optique peut être limitée si la dispersion du mode de polarisation n'est pas corrigée. Les concepteurs de fibres, de câbles et de systèmes ont donc mis au point des méthodes pour atténuer ou compenser cette dispersion. Afin de réduire l'asymétrie, la non-concentricité et les contraintes latérales, les fabricants de fibres ont perfectionné leurs procédés de préformage et d'étirage. De plus, les tours d'étirage sont équipées de machines qui font tourner la fibre pendant son étirage. Ceci contribue à réguler les caractéristiques de polarisation de la fibre. Pour protéger les fibres des forces extérieures exercées sur le câble, les fabricants de câbles extrudent ensuite des tubes autour des fibres. Enfin, des éléments de compensation de dispersion, tels que des puces dotées d'algorithmes de correction d'erreurs directes dans les récepteurs, sont présents dans l'électronique numérique utilisée dans les systèmes de télécommunications.

Ainsi, la polarisation des câbles à fibres optiques PM utilisés en télécommunications peut être contrôlée avec succès. Cependant, dans de nombreuses applications non liées aux télécommunications, deux modes de polarisation doivent se propager de manière régulée. Maintenir ces deux modes séparés, puis les recombiner pour analyser leurs interférences de phase, est l'objectif de plusieurs capteurs interférométriques. Ceci permet de quantifier avec précision les mouvements, les vibrations et autres phénomènes affectant la fibre. Dans ce type d'applications, l'objectif est de maintenir les deux modes de polarisation se propageant sur des trajets différents ou de réduire la quantité de puissance transférée d'un état de polarisation à l'autre.

Les fibres PM minimisent l'impact des charges externes et des courbures sur les modes de polarisation de la fibre, résolvant ainsi certains problèmes similaires à ceux des fibres de communication monomodes. Même si les fibres PM utilisées dans les gyroscopes et certains capteurs sont enroulées en petites bobines, le couplage de puissance entre les modes de polarisation doit être évité. Afin de maintenir la séparation des deux modes de polarisation et de réduire l'impact des charges externes, les fibres PM sont dotées de caractéristiques géométriques ou de « parties » appliquant des contraintes (SAP). Ces éléments géométriques asymétriques et SAP peuvent être intégrés à la fibre de diverses manières, donnant lieu à une variété de fibres PM.

Caractéristiques importantes

Les fibres PM doivent satisfaire à d'importantes exigences optiques et mécaniques, notamment en termes d'atténuation et de résistance à la traction, au même titre que les autres fibres spéciales et de communication. De plus, leurs propriétés de biréfringence sont décrites par deux spécifications : la longueur de battement et le paramètre de maintien (H). Bien que ces mesures soient complexes, elles sont essentielles pour évaluer la capacité des fibres à préserver les deux modes de polarisation.

Les deux axes d'une fibre PM sont généralement appelés « axe lent » et « axe rapide », en raison de leurs indices de réfraction différents. Cela implique que les vitesses de phase des ondes lumineuses dans les deux modes de polarisation diffèrent. La différence de vitesse de phase entre les deux modes de polarisation est mesurée par la longueur de battement. Une biréfringence plus élevée et un écart plus important entre les deux modes résultent d'une longueur de battement plus courte.

Les mesures de battement des câbles à fibres optiques PM  varient de quelques centimètres à moins d'un millimètre. Pour les gyroscopes, une longueur de battement de 2 mm est courante et fréquemment utilisée. Les longueurs de battement des fibres monomodes standard utilisées en télécommunications sont exprimées en mètres. Les mesures sont effectuées et rapportées à des longueurs d'onde spécifiques, car la longueur de battement, comme d'autres paramètres optiques, dépend de la longueur d'onde.

Le rapport d'extinction de polarisation par unité de longueur est appelé paramètre H. Il permet de décrire la capacité d'une fibre à maintenir sa polarisation le long d'un axe donné sur toute sa longueur. Le paramètre H est calculé à l'aide de méthodes standard d'évaluation de la diaphonie de polarisation. À des longueurs d'onde spécifiques, les mesures sont exprimées comme la variation de puissance optique transmise sur un axe par unité de longueur de fibre.

Comment obtenir la biréfringence

Des formes spéciales, ou SAP, intégrées lors de la fabrication de la préforme, induisent une biréfringence. Comme le reste de la fibre, les SAP sont composées de verre à base de silice, mais contiennent des dopants dont les coefficients de dilatation thermique (CDT) varient. Lors de l'étirage et du refroidissement de la fibre, les SAP se refroidissent et se compriment à des vitesses différentes, ce qui engendre des contraintes permanentes dans le verre.

Il existe trois types de fibres PM commerciales utilisant des SAP : les fibres PANDA, en forme de nœud papillon et à couche de contrainte elliptique. La fibre à cœur elliptique, un quatrième type, utilise la biréfringence de forme au lieu des SAP. La biréfringence peut être obtenue de diverses manières, notamment par l’utilisation d’espaces longitudinaux ou de trous d’air dans les fibres à cristaux photoniques. De nombreux fabricants de gyroscopes, d’autres capteurs et de composants de télécommunications privilégient les fibres PANDA et en forme de nœud papillon, qui sont les plus couramment utilisées.