Introduction à la polarisation

 

Lorsque la lumière traverse un point de l'espace, la direction et l'amplitude du champ électrique vibrant tracent un chemin dans le temps. Un signal d'onde lumineuse polarisé est représenté par des vecteurs de champ électrique et magnétique qui se trouvent à angle droit l'un par rapport à l'autre dans un plan transversal (un plan perpendiculaire à la direction de déplacement). La polarisation est définie par le motif tracé dans le plan transversal par le vecteur champ électrique en fonction du temps.

La polarisation peut être classée comme linéaire, elliptique ou circulaire, la polarisation linéaire étant la plus simple. Quelle que soit la polarisation, cela peut être un problème dans la transmission par fibre optique.
Système de coordonnées de polarisation Fiber-MART

Lorsque la lumière traverse un point de l'espace, la direction et l'amplitude du champ électrique vibrant tracent un chemin dans le temps. Un signal d'onde lumineuse polarisé est représenté par des vecteurs de champ électrique et magnétique qui se trouvent à angle droit l'un par rapport à l'autre dans un plan transversal (un plan perpendiculaire à la direction de déplacement). La polarisation est définie par le motif tracé dans le plan transversal par le vecteur champ électrique en fonction du temps.

La polarisation peut être classée comme linéaire, elliptique ou circulaire, la polarisation linéaire étant la plus simple. Quelle que soit la polarisation, cela peut être un problème dans la transmission par fibre optique.
Système de coordonnées de polarisation Fiber-MART

Qu'est-ce que la fibre PM ?

 

La polarisation de la lumière se propageant dans la fibre change progressivement de manière incontrôlée (et dépendante de la longueur d'onde), qui dépend également d'une éventuelle courbure de la fibre et de sa température. Des fibres spécialisées sont nécessaires pour obtenir des performances optiques, qui sont affectées par la polarisation de la lumière traversant la fibre. De nombreux systèmes tels que les interféromètres et les capteurs à fibre, les lasers à fibre et les modulateurs électro-optiques souffrent également de la perte dépendante de la polarisation (PDL) qui peut affecter les performances du système. Ce problème peut être résolu en utilisant une fibre spéciale appelée fibre PM.

Principe de la fibre PM

 

A condition que la polarisation de la lumière lancée dans la fibre soit alignée avec l'un des axes biréfringents, cet état de polarisation sera conservé même si la fibre est courbée. Le principe physique sous-jacent peut être compris en termes de couplage de mode cohérent. Les constantes de propagation des deux modes de polarisation sont différentes en raison de la forte biréfringence, de sorte que la phase relative de ces modes de copropagation s'éloigne rapidement. Par conséquent, toute perturbation le long de la fibre ne peut coupler efficacement les deux modes que si elle a une composante de Fourier spatiale significative avec un nombre d'onde qui correspond à la différence des constantes de propagation des deux modes de polarisation. Si cette différence est suffisamment grande, les perturbations habituelles dans la fibre varient trop lentement pour effectuer un couplage de mode efficace. Par conséquent, le principe de la fibre PM est de faire la différence suffisamment grande.

Dans les applications de télécommunications à fibre optique les plus courantes, la fibre PM est utilisée pour guider la lumière dans un état polarisé linéairement d'un endroit à un autre. Pour arriver à ce résultat, plusieurs conditions doivent être remplies. La lumière d'entrée doit être fortement polarisée pour éviter de lancer à la fois les modes d'axe lent et rapide, une condition dans laquelle l'état de polarisation de sortie est imprévisible.

Le champ électrique de la lumière d'entrée doit être aligné avec précision sur un axe principal (l'axe lent selon la convention de l'industrie) de la fibre pour la même raison. Si le câble de chemin de fibre PM se compose de segments de fibre reliés par des connecteurs ou des épissures de fibre optique, l'alignement en rotation des fibres d'accouplement est essentiel. De plus, les connecteurs doivent avoir été installés sur les fibres PM de manière à ce que les contraintes internes ne provoquent pas la projection du champ électrique sur l'axe involontaire de la fibre.

Types de fibres PM

 

Fibres PM circulaires

Il est possible d'introduire une biréfringence circulaire dans une fibre de sorte que les deux modes polarisés orthogonalement de la fibre - la fibre dite circulaire PM - soient polarisés circulairement dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Le moyen le plus courant d'obtenir une biréfringence circulaire dans une fibre ronde (axialement symétrique) consiste à la tordre pour produire une différence entre les constantes de propagation des modes fondamentaux polarisés circulairement dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Ainsi, ces deux modes de polarisation circulaire sont découplés. De plus, il est possible de concevoir une contrainte appliquée de l'extérieur dont la direction varie azimutalement le long de la longueur de la fibre provoquant une biréfringence circulaire dans la fibre. Si une fibre est tordue, une contrainte de torsion est introduite et conduit à une activité optique proportionnelle à la torsion.

La biréfringence circulaire peut également être obtenue en faisant en sorte que le cœur d'une fibre suive un chemin hélicoïdal à l'intérieur de la gaine. Cela fait que la lumière se propageant, contrainte de se déplacer le long d'un chemin hélicoïdal, subit une rotation optique. La biréfringence obtenue n'est due qu'à des effets géométriques. De telles fibres peuvent fonctionner comme un seul mode et subir des pertes élevées dans les modes d'ordre élevé.

La fibre PM circulaire à noyau hélicoïdal trouve des applications dans la détection du courant électrique par effet Faraday. Les fibres ont été fabriquées à partir de préformes composites de tige et de tube, où l'hélice est formée en faisant tourner la préforme pendant le processus d'étirage des fibres.

Fibres PM linéaires

Il existe plusieurs types de fibres PM linéaires, à savoir le type à polarisation unique et le type à fibre biréfringente. Le type à polarisation unique se caractérise par une grande différence de perte de transmission entre les deux polarisations du mode fondamental. Et le type de fibre biréfringente est tel que les constantes de propagation entre les deux polarisations du mode fondamental sont sensiblement différentes. La polarisation linéaire peut être maintenue en utilisant diverses conceptions de fibres qui sont passées en revue ci-après.

 

Fibres PM linéaires avec fosses latérales et tunnels latéraux

Les fibres à fosses latérales incorporent deux fosses d'indice de réfraction inférieur à l'indice de gaine, de chaque côté du noyau central. Ce type de fibre présente un profil d'indice de type W selon l'axe des abscisses et un profil de saut d'indice selon l'axe des ordonnées. Une fibre à tunnel latéral est un cas particulier de structure à fosse latérale. Dans ces fibres PM linéaires, une anisotropie géométrique est introduite dans le coeur pour obtenir des fibres biréfringentes.

Fibres PM linéaires avec pièces appliquées sous contrainte

 

Un procédé efficace d'introduction d'une biréfringence élevée dans les fibres optiques consiste à introduire une contrainte asymétrique avec une symétrie géométrique double dans le cœur de la fibre. La contrainte modifie l'indice de réfraction du noyau en raison de l'effet photoélastique, vu par les modes polarisés le long des axes principaux de la fibre, et entraîne une biréfringence. La contrainte requise est obtenue en introduisant deux parties sous contrainte (SAP) identiques et isolées, positionnées dans la région de la gaine sur les côtés opposés du cœur. Par conséquent, aucun mode parasite ne se propage à travers les SAP, tant que l'indice de réfraction des SAP est inférieur ou égal à celui de la gaine.

Les formes les plus couramment utilisées pour les SAP sont : la forme en nœud papillon et la forme circulaire. Ces fibres sont respectivement appelées Bow-tie Fiber et PANDA Fiber. Les sections transversales de ces deux types de fibres sont présentées dans la figure ci-dessous. La biréfringence modale introduite par ces fibres représente à la fois les biréfringences géométriques et induites par les contraintes. Dans le cas d'une fibre à coeur circulaire, la biréfringence géométrique est négligeable. Il a été montré que placer les SAP près du coeur améliore la biréfringence de ces fibres, mais il faut les placer suffisamment près du coeur pour que la perte de fibres ne soit pas augmentée d'autant plus que les SAP sont dopés avec des matériaux autres que la silice. La fibre PANDA a été encore améliorée pour obtenir une biréfringence modale élevée, une très faible perte et une faible diaphonie.

PANDA Fiber (à gauche) et Bow-tie Fiber (à droite). Les éléments de contrainte intégrés fabriqués à partir d'un type de verre différent sont représentés avec un ton gris plus foncé.

Conseils : À l'heure actuelle, la fibre PM la plus populaire dans l'industrie est la fibre circulaire PANDA. L'un des avantages de la fibre PANDA par rapport à la plupart des autres fibres PM est que la taille du cœur de la fibre et l'ouverture numérique sont compatibles avec la fibre monomode ordinaire. Cela garantit des pertes minimales dans les appareils utilisant les deux types de fibres.

Fibres PM linéaires à structures elliptiques

 

La première proposition sur la fibre pratique à polarisation simple à faible perte a été étudiée expérimentalement pour trois structures de fibres : les fibres à cœur elliptique, à gaine elliptique et à gaine elliptique. Les premières recherches sur les fibres à cœur elliptique portaient sur le calcul de la biréfringence de polarisation. Dans la première étape, les caractéristiques de propagation des guides d'ondes diélectriques rectangulaires ont été utilisées pour estimer la biréfringence des fibres à cœur elliptique. Dans la première expérience avec la fibre PM, une fibre ayant un noyau en forme d'haltère a été fabriquée. La longueur de battement peut être réduite en augmentant la différence d'indice de réfraction cœur-gaine. Cependant, la différence d'indice ne peut pas être trop augmentée en raison de limitations pratiques. L'augmentation de la différence d'indice augmente la perte de transmission et l'épissage deviendrait difficile car le rayon du cœur doit être réduit. Les valeurs typiques de biréfringence pour la fibre à cœur elliptique sont supérieures à celles de la fibre à gaine elliptique. Cependant, les pertes étaient plus élevées dans le noyau elliptique que les pertes dans les fibres gainées elliptiques.

Fibres PM linéaires avec modulation de l'indice de réfraction

 

Une façon d'augmenter la bande passante de la fibre à polarisation unique, qui sépare la longueur d'onde de coupure des deux modes fondamentaux orthogonaux, consiste à sélectionner un profil d'indice de réfraction qui permet à un seul état de polarisation d'être en coupure. Une biréfringence élevée a été obtenue en introduisant une modulation azimutale de l'indice de réfraction de la gaine interne dans une fibre elliptique à trois couches. Une approche de perturbation a été utilisée pour analyser la fibre elliptique à trois couches, en supposant un guide d'ondes à noyau rectangulaire comme structure de référence. L'examen de la biréfringence dans les fibres elliptiques à trois couches a démontré qu'une modulation azimutale appropriée de l'indice de gaine interne peut augmenter la biréfringence et étendre la gamme de longueurs d'onde pour un fonctionnement à polarisation unique.

Un profil d'indice de réfraction est appelé profil papillon. Il s'agit d'un profil asymétrique en W, constitué d'une âme uniforme, entourée d'une gaine dont le profil a une valeur maximale de ncl et varie à la fois radialement et azimutalement, avec une dépression maximale selon l'axe x. Ce profil a deux attributs pour réaliser un fonctionnement monomode à polarisation unique. Premièrement, le profil n'est pas symétrique, ce qui rend dissemblables les constantes de propagation des deux modes fondamentaux orthogonaux, et deuxièmement, la dépression au sein de la gaine assure que chaque mode a une longueur d'onde de coupure. La fibre papillon est faiblement guidante, ainsi les champs modaux et les constantes de propagation peuvent être déterminés à partir des solutions de l'équation d'onde scalaire. Les solutions impliquent des fonctions trigonométriques et de Mathieu décrivant la dépendance des coordonnées transversales dans le cœur et la gaine de la fibre. Ces fonctions ne sont pas orthogonales les unes aux autres, ce qui nécessite un ensemble infini de chacune pour décrire les champs modaux dans les différentes régions et satisfaire les conditions aux limites. Les tracés géométriques de biréfringence générés par rapport à la fréquence normalisée V ont montré que l'augmentation de l'asymétrie par la profondeur de la dépression de l'indice de réfraction le long de l'axe des x augmente la valeur maximale de la biréfringence et la valeur de V à laquelle cela se produit. La valeur maximale de la biréfringence est une caractéristique des fibres non circulaires. La biréfringence modale peut être augmentée en introduisant une anisotropie dans la fibre qui peut être décrite en attribuant des profils d'indice de réfraction différents aux deux polarisations d'un mode. La biréfringence géométrique est plus petite que la biréfringence anistropique. Cependant, la dépression dans la gaine du profil papillon donne les deux polarisations des longueurs d'onde de coupure du mode fondamental, qui sont séparées par une fenêtre de longueur d'onde dans laquelle un fonctionnement monomode à polarisation unique est possible.

Applications des fibres PM

 

Les fibres PM sont appliquées dans des appareils où l'état de polarisation ne peut pas dériver, par ex. à la suite de changements de température. Des exemples sont les interféromètres à fibre et certains lasers à fibre. Un inconvénient de l'utilisation de telles fibres est qu'habituellement un alignement exact de la direction de polarisation est nécessaire, ce qui rend la production plus lourde. De plus, les pertes de propagation sont plus élevées que pour la fibre standard, et tous les types de fibres ne sont pas facilement obtenus sous une forme préservant la polarisation.

Les fibres PM sont utilisées dans des applications spéciales, telles que la détection par fibre optique, l'interférométrie et la distribution de clé quantique. Ils sont également couramment utilisés dans les télécommunications pour la connexion entre une source laser et un modulateur, car le modulateur nécessite une lumière polarisée en entrée. Ils sont rarement utilisés pour la transmission longue distance, car la fibre PM est chère et a une atténuation plus élevée que la fibre monomode.

Solution de fibre PM de Fiber-Mart : Câbles de brassage fibre PM

 

Les câbles de brassage fibre optique PM de Fiber-Mart sont basés sur une technique de connexion bout à bout de haute précision. L'orientation de l'axe PM est maintenue en utilisant des connecteurs mâles avec une clavette de positionnement et un réceptacle femelle de cloison avec une rainure de clavette à tolérance serrée, assurant une bonne répétabilité dans les rapports d'extinction et les pertes d'insertion.
Caractéristiques : Taux d'extinction élevés de 20 dB à 30 dB Faibles pertes d'insertion, généralement < 0,2 dB FC, FC/APC, SC, SC/APC, ST, ST/APC, LC, MU, MTRJ, E2000 et autres connecteurs disponibles Compatible avec les normes de l'industrie connecteurs Longueur d'onde de 360 nm-1800 nm disponible Ø0,9 mm, Ø2,0 mm, Ø3,0 mm Gaine extérieure de protection disponible Alignement rapide/lent de l'axe, clé large/étroite, type panda, type nœud papillon, type elliptique disponible Tailles de fibre et longueurs de câble personnalisées

Exigences pour l'utilisation des fibres PM

 

Terminaison : lorsque les fibres PM sont terminées par des connecteurs de fibre, il est très important que les tiges de contrainte s'alignent avec le connecteur, généralement en ligne avec la clé du connecteur.

Épissage : La fibre PM nécessite également beaucoup de soin lorsqu'elle est épissée. Non seulement l'alignement X, Y et Z doit être parfait lorsque la fibre est fondue ensemble, mais l'alignement en rotation doit également être parfait, de sorte que les tiges de contrainte s'alignent exactement.

Une autre exigence est que les conditions de lancement au niveau de la face d'extrémité de la fibre optique doivent être cohérentes avec la direction du grand axe transversal de la section transversale de la fibre.

 

---