Biréfringence et couplage de mode de polarisation dans les fibres de télécommunications

Les télécommunications optiques

   Depuis l’invention du LASER dans les années 60, les technologies optiques ont connu un essor considérable. En effet, en raison de sa grande pureté spectrale et de la possibilité de moduler des signaux optiques à de grandes fréquences, la lumière LASER devenait un vecteur idéal pour transporter de l’information. Une des suites logiques à l’invention du LASER consistait à transmettre le signal lumineux dans un guide d’onde optique, i.e. la fibre optique. Néanmoins, l’utilisation de tels guides d’ondes optiques nécessitait à l’époque de résoudre un certain nombre de problèmes technologiques liés à la fabrication de composants à faible atténuation et à grande bande passante. Une étape cruciale fût franchie lorsque l’atténuation dans les fibres optiques devint compatible avec les exigences d’un réseau de télécommunication (20 dB/km à 850 nm en 1970 [Corning]). Depuis, des progrès considérables ont été réalisés et des atténuations de 0.2 dB/km sont couramment atteintes dans la fenêtre de longueur d’onde proche de 1550 nm. La fabrication de fibres à faibles pertes fût le point de départ d’une recherche intense du point de vue des réseaux de télécommunication. Destinés au départ à des applications militaires, les réseaux de télécommunication se sont rapidement ouverts aux structures commerciales. Cette démocratisation allait de pair avec une augmentation des débits et la fibre optique commençait alors à remplacer le câble (dont l’atténuation est plusieurs dizaines de fois supérieure à celle de la fibre optique) et le satellite (mal adapté à des liaisons points à points entre plusieurs utilisateurs). Aujourd’hui, le succès remporté par la fibre optique est tel que l’on parle de télécommunications optiques. La course aux débits engendre des efforts de recherche toujours plus importants, nécessite des fibres toujours plus “transparentes” et toujours plus performantes. Dans cette optique, les chercheurs et les industriels ont tenté de maîtriser les différents phénomènes physiques limitant l’augmentation des débits dans la fibre optique.

Régime longue distance : couplage de mode

   En régime de propagation longue distance, les modes propres de polarisation ne sont définis que localement. Pour modéliser l’effet de l’évolution des axes propres avec la distance sur la propagation d’un signal optique on modélise la fibre par une concaténation de tronçons biréfringents. Chaque tronçon possède individuellement des caractéristiques de biréfringence constante ; en revanche d’un tronçon à l’autre, la biréfringence et la direction des axes propres peuvent évoluer. Dans cette représentation, les effets locaux sont bien décris par le modèle du paragraphe précédent : la biréfringence de groupe de chaque tronçon provoque un étalement du signal optique au cours de la propagation. On modélise le passage du signal optique aux interfaces de chaque tronçon par un transfert d’énergie entre les modes propres de polarisation des tronçons successifs : c’est le couplage de mode. Du fait de l’évolution des axe propres avec la distance, le couplage de mode tend à égaliser la répartition de l’énergie de l’impulsion sur les deux modes de polarisation locaux, ce qui ralentit l’élargissement de l’impulsion [Gisin]. Cette description présente l’avantage de décrire la PMD dans le régime longue distance de façon locale au sens où on peut suivre l’évolution du signal “pas à pas”. Lorsque l’on cherche à décrire la propagation d’un point de vue plus global, une approche différente doit cependant être utilisée. Pour un signal de spectre quelconque, on montre qu’il est possible de trouver deux états de polarisation en entrée de fibre qui rendent les temps de propagation extrémaux [Karlson98]. Lorsque le signal est fortement cohérent, comme c’est très souvent le cas dans les transmissions télécoms, trouver les états de polarisation qui rendent le temps de groupe extrémal revient à trouver les états de polarisation en entrée et en sortie de fibre qui minimise la dépendance fréquentielle de l’état de polarisation de sortie [Karlson98]. On montre [Poole86] que pour de tels signaux, on peut toujours trouver pour chaque fréquence, deux états de polarisation orthogonaux en entrée qui permettent de minimiser cette dépendance. Les états de polarisation qui vérifient cette condition sont appelés états principaux de polarisation (PSP de l’anglais “Principal States of Polarisation”).

Mesure de la PMD

   Les méthodes de mesure de la PMD sont tributaires des interprétations fréquentielles et temporelles de la PMD. On sépare en effet les techniques de mesure de la PMD en technique fréquentielles et temporelles. Nous n’aborderons ici que les techniques fréquentielles puisque ce sont les plus répandues. Les techniques fréquentielles sont basées sur la mesure de la sensibilité de l’état de polarisation de sortie avec la fréquence et les techniques temporelles sur une mesure “directe” de la différence de temps de groupe. La méthode de la matrice de Jones et de la sphère de Poincaré sont deux exemples de mesures fréquentielles basées sur une caractérisation complète de l’évolution de l’état de polarisation de sortie avec la fréquence. La méthode de la sphère de Poincaré est directement basée sur l’équation I.16 : à partir de deux états de polarisation en entrée E1r, E2r , on peut déterminer le vecteur PMD de sortie en fonction de la fréquence [Poole88]. De même, la méthode de la matrice de Jones [Heffner] consiste à mesurer la matrice de Jones U de la fibre en fonction de la fréquence. Une équation similaire à l’équation I.16 permet alors à partir des dérivées des éléments de la matrice de Jones d’obtenir la PMD [Gordon]. Les méthodes basées sur la mesure partielle sont de type “méthodes de l’analyseur fixe“. Elles consistent à étudier la figure de transmission, à travers un polariseur, du signal de sortie de fibre lorsque la fréquence en entrée de fibre varie. Comme la PMD est liée au taux de variation de l’état de polarisation de sortie avec la fréquence, on peut déterminer la PMD en fonction de la rapidité de l’évolution de l’intensité.

Exemple de configuration de mesure

  Les avantages procurés par une caractérisation de la fibre par POTDR reposent sur trois points : La mesure est non destructive, elle s’effectue par une extrémité de la fibre, enfin, les longueurs de fibre accessibles à la mesure peuvent être supérieures à plusieurs dizaines de kilomètres. Un montage typique est composé d’une partie émission, de la fibre en mesure et d’une partie réception. A l’émission, une séquence d’impulsion est injectée dans la fibre. A l’aide de la mesure du temps mis par le signal rétro diffusé pour revenir en entée de fibre, on peut déterminer le point de rétro-diffusion. En réception, la polarisation du signal rétro-diffusé est analysée à l’aide d’un simple polariseur ou d’un dispositif plus sophistiqué, comme un analyseur de Stokes. Les montages présentés sur la figure IV.2 [Wuilpart01] et sur la figure IV.3 [Ellison00a] représentent ces deux types de configurations de mesure. La première configuration, qui utilise un unique polariseur en entrée et en sortie, permet une analyse d’une composante de l’état de polarisation de sortie pour chaque état de polarisation injecté en entrée. Cette configuration présente l’avantage d’être simple, mais ne permet qu’une analyse partielle de la polarisation de sortie. Dans la seconde, en revanche, la partie émission et la partie analyse sont séparées. Un analyseur de Stokes en sortie permet une détermination complète de l’état de polarisation de sortie pour chaque état de polarisation injecté en entrée au prix d’une complexification du montage.

Caractéristiques de l’appareil de mesure et description du montage

   Afin de réaliser des mesures avec une précision de l’ordre du centimètre, il est indispensable d’utiliser de nouvelles techniques de détection. En effet une résolution entre deux points de mesure de l’ordre de 10 cm nécessite une largeur spatiale d’impulsion inférieure au cm. De tels ordres de grandeur conduisent à des intensités rétro-diffusées extrêmement faibles, des techniques particulières doivent être utilisées pour les détecter. L’OTDR que nous avons utilisée dans ce paragraphe utilise une technique de comptage de photon lui offrant une sensitivité de –110 dBm, une résolution point à point de l’ordre de 5 cm ainsi qu’une précision de mesure de l’ordre de 5 mm. La longueur de fibre mesurable est d’environ 40 km par fenêtre de 800 m. Afin d’adapter cet OTDR à une mesure polarisée, l’OTDR millimétrique est connecté à l’aide d’une jarretière de 2 mètres à un contrôleur de polarisation OZ optics (polariseur + lame demi-onde). Puis, un pigtail d’environ 2 mètres connectés au contrôleur de polarisation est soudé à la fibre en test afin d’éviter les pics de réflexion trop importants.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Notions de base sur la Dispersion de Mode de Polarisation
1 Notions de base sur la polarisation ; milieux anisotropes
2 Dispersion de Mode de Polarisation dans une fibre biréfringente
3 Caractérisation des effets de polarisation
4 Conclusion du chapitre
Chapitre II : Calcul de la biréfringence de phase et de groupe
1 Calcul de l’anisotropie dans une fibre optique
2 Calcul de la biréfringence de phase et de groupe
3 Conclusion du chapitre
Chapitre III : Calcul de la PMD dans le régime longue distance
1 Etat de l’art
2 Vrillage sinusoïdal vs vrillage triangulaire
3 Conclusion du chapitre
Chapitre IV : Caractérisation du couplage de mode et de la biréfringence dans les fibres de télécommunication
1 Les méthodes expérimentales utilisées
2 Caractérisation des effets de polarisation dans le régime longue distance
3 Caractérisation de la polarisation dans le régime longue distance
4 Conclusion du chapitre
Conclusion générale
Annexes
A I Formalisme de Stokes et formalisme de Jones
A II Calcul du vecteur PMD dans une fibre vrillée triangulairement
A III Simulation de l’évolution de la polarisation dans les méthodes réflectométriques
A IV Formalisme utilisé pour décrire la méthode magnéto-optique
Références
Bibliographie de l’auteur

Télécharger le rapport complet