Des polariseurs à fibre optique sans perte

15/11/2013
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Publication eREE
OAI : oai:www.see.asso.fr:14389:5301
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Résumé

Des polariseurs à fibre optique sans perte

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	    <date dateType="Created">Fri 15 Nov 2013</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
            <date dateType="Submitted">Wed 19 Sep 2018</date>
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24 avril 2013      Des polariseurs à fibre optique sans perte  Philippe Gravey    En décembre 2012, une équipe de l’Université  de  Bourgogne  (laboratoire  Interdisciplinaire  Carnot  de  Bourgogne),  travaillant  en  liaison  avec  des  partenaires  russes  et  italiens,  a  publié  dans  Scientific  Reports1   une  article  intitulé  « A  universal  optical  all‐fiber  omnipolarizer » décrivant un polariseur à fibre  optique  sans  perte,  capable  d’orienter  toute  polarisation  incidente  vers  un  ou  deux  états  de  polarisation  déterminés,  selon  la  variante  de  leur  dispositif  qu’ils  ont  baptisé  « Omni‐ polariseur ». Les auteurs de cet article sont  J.  Fatome2 , S. Pitois 2 ,  P. Morin 2 , E. Assémat2 , D.  Sugny2 , A. Picozzi2 ,  H. R. Jauslin2 ,  G. Millot2 ,  V. V. Kozlov3,4   et S. Wabnitz 3 .  Ces  travaux  offrent  des  perspectives  d’application  très  intéressantes  dans  le  domaine des communications. En effet, parmi  les  paramètres  qui  caractérisent  une  onde  électromagnétique  se  propageant  dans  une  fibre  optique,  la  polarisation  est  le  plus  difficile  à  contrôler.  Dans  une  fibre  monomode  classique,  la  biréfringence  résiduelle  et  les  contraintes  font  que,  lorsqu’on injecte dans la fibre une onde ayant                                                               1   Scientific  Reports  2,  Article  n°938,  paru  le  6  décembre 2012  2   Laboratoire  Interdisciplinaire  Carnot  de  Bourgogne (ICB), UMR 6303 CNRS ‐ Université de  Bourgogne,  9  Av.  Alain  Savary,  BP  47870,  21078  Dijon, France  3   Department  of  Information  Engineering,  Università di Brescia, Via Branze 38, 25123 Brescia,  Italy  4   Department  of  Physics,  St.‐Petersburg  State  University,  Petrodvoretz,  St.‐Petersburg,  198504,  Russia      un état de polarisation connu, il est impossible  de prédire quel sera son état de polarisation  au bout de quelques centaines de mètres. De  plus,  cet  état  est  susceptible  d’évoluer  lentement  (par  exemple  en  fonction  de  la  température)  ou  plus  rapidement,  en  cas  de  choc.  Toutefois,  l’onde  restera  polarisée  et  deux  états  de  polarisation  initialement  orthogonaux  le  resteront.  Ces  propriétés  permettent  la  mise  en  œuvre  de  techniques  de réception cohérente et de multiplexage en  polarisation,  utilisées  dans  les  nouvelles  générations  de  systèmes  de  transmission  où  chaque  longueur  d’onde  véhicule  un  signal  numérique au débit de 100 Gbit/s ou plus.  La maîtrise de l’état de polarisation dans une  fibre  pose  problème  parce  que  les  pertes  de  certains  dispositifs  (par  exemple  un  mutiplexeur/démultiplexeur  de  longueurs  d’onde  ou  un  modulateur  électro‐optique)  peuvent varier selon l’état de polarisation. Des  variations  minimes  peuvent  s’accumuler  et  dégrader  la  performance  du  système.  Les  équipementiers  traitent  ce  problème  en  utilisant  des  composants  de  très  faible  PDL  (Polarization  Dependent  Loss),  au  plus  0,1  à  0,2 dB. Cependant, avec des moyens efficaces  de contrôler cet état de polarisation, il serait  possible  de  simplifier  certains  dispositifs  ou  d’améliorer leurs performances. Par exemple,  des modulateurs électro‐optiques à plus faible  pertes ou plus rapides, ou des amplificateurs  optiques à plus fort gain ou à facteur de bruit  réduit.  Avec  les  composants  linéaires  (i.e.  dont  le  fonctionnement  ne  dépend  pas  de  la  puissance  optique)  utilisés  habituellement  pour manipuler un état de polarisation, on est  confronté  à  un  choix  simple.  L’état  de  polarisation en sortie d’un polariseur ou d’un  cube  séparateur  de  polarisation  (en  anglais :    PBS),  est  connu  mais  toute  fluctuation  de  l’état de polarisation en entrée se traduit par  une  fluctuation  de  l’amplitude  du  signal  en  sortie. Le niveau de bruit d’amplitude (désigné  par l’acronyme RIN : Relative Intensity Noise)  résultant  est  incompatible  avec  une  application  en  transmission  optique.  En  traversant  une  lame  biréfringente,  la  puissance  est  en  principe  conservée  mais  l’état  de  polarisation  de  la  sortie  varie  en  fonction de celui de l’entrée. Il est possible de  combiner  plusieurs  lames  pour  transformer  n’importe quel état de polarisation en entrée  en  un  état  donné  et  d’ajouter  une  contre‐ réaction pour stabiliser l’état en sortie. Cette  approche est cependant lourde, du fait de la  complexité  de  la  mesure  de  l’état  de  polarisation  et  des  algorithmes  pour  suivre  indéfiniment l’état de polarisation.   Depuis  une  douzaine  d’années,  plusieurs  groupes  étudient  des  techniques  tout  optiques  pour  contrôler  la  polarisation.  Une  équipe française de l’Université de Bourgogne  (laboratoire  Interdisciplinaire  Carnot  de  Bourgogne),  en  liaison  avec  des  partenaires  russes  et  italiens,  joue  un  rôle  pionnier  dans  l’exploration  d’un  mécanisme  d’attraction  de  polarisation  qui  a  l’avantage  de  ne  pas  présenter  de  RIN.  Leur  approche  repose  sur  un  couplage  d’ondes  par  effet  non  linéaire  d’ordre  2  (effet  Kerr)  qui  provoque  un  transfert  d’énergie  entre  composantes  de  polarisation  circulaires  droite  et  gauche  des  ondes  interagissant.  L’analyse  du  système  montre  la  stabilité  des  solutions  où  les  deux  ondes  sont  polarisées  circulairement  dans  le  même  sens  (i e.  droite  dans  une  direction  et  gauche dans l’autre).       Figure 1 : Schéma de principes des deux dispositifs proposés (d’après Scientific Report 2, article # 938, figure 2).   Le  faisceau  optique  incident  interagit  de  façon  non  linéaire  avec    sa  réplique  réfléchie  par  un  miroir  semi‐ transparent (a) ou après que celle‐ci ait  traversé un amplificateur optique (b).     L’article  de  Scientific  Report  (http://www.nature.com/srep/2012/121206/s rep00938/full/srep00938.html)  décrit  une  nouvelle variante de polariseur non linéaire ne  nécessitant pas de source externe. Le principe  consiste à générer à partir de l’onde signal une  onde  se  propageant  en  sens  inverse  qui  interagit avec le signal. Cette deuxième onde  est  obtenue  par  réflexion  sur  un  réseau  de  Bragg partiellement réfléchissant (figure 1‐a),  ou  en  rebouclant  la  fibre  sur  elle‐même  à  l’aide  de  coupleurs  optique  et  en  insérant  dans  la  boucle  un  amplificateur  optique  (figure  1‐b).  Si  la  puissance  d’entrée  est    suffisante  (27  dBm  dans  la  configuration  étudiée),  l’état  de  polarisation  du  signal  est  transformé.  La  transformation  dépend  de  la  configuration.  Avec  une  simple  réflexion  en  extrémité,  l’état  de  polarisation  peut  être  circulaire  droit  ou  gauche.  Sa  valeur  dépend  de l’ellipticité de l’état initial : il correspond au  pôle  de  la  sphère  de  Poincaré  situé  dans  le  même  hémisphère  que  l’état  initial.  Le  dispositif  se  comporte  comme  un  cube  séparateur de polarisation binaire où un état  de  polarisation  incident  est  transformé  en  l’état  circulaire  « le  plus  proche ».  Dans  la  deuxième  version,  l’amplificateur  optique  permet de changer le rapport des puissances  des  deux  ondes.  Lorsque  la  puissance  de  l’onde  retour  est  inférieure  à  celle  de  l’onde  aller,  le  dispositif  se  comporte  comme  le  précédent.  Lorsque  la  puissance  injectée  en  retour  devient  égale  ou  légèrement  supérieure,  tout état de  polarisation incident  est  attiré  vers  un  seul  état  de  polarisation  circulaire. On obtient ainsi un polariseur sans  PDL, sans source optique externe.      Figure 2 : Fonctionnement en tant que polariseur non linéaire (avec un seul point d’attraction) et transmission  d’un  signal  à  40  Gbit/s    dont  l’état  de  polarisation  en  entrée  a  été  préalablement  brouillé  à  travers  un  polariseur linéaire (d’après Scientific Report 2, article # 938, figure 5).    Qualitativement, ces comportements peuvent  s’expliquer  en  notant  que  si  la  fibre  est  suffisamment  longue,  elle  est  constituée  de  multiples  tronçons  faiblement  biréfringents  orientés  aléatoirement ;  aucune  direction  n’étant privilégiée dans la fibre, les deux états  de  polarisation  circulaires  émergent  lorsque  l’état de polarisation s’auto‐organise grâce au  couplage  non  linéaire  entre  ondes  aller  et  retour.  Lorsque  la  puissance  du  signal  en  retour devient la plus importante, la symétrie  entre  ces  états  est  brisée,  et  le  système  devient soit un polariseur circulaire droit, soit  un polariseur circulaire gauche. La brisure de  symétrie  provient  de  la  rotation  de  polarisation intervenant dans le processus de  réflexion.  Par  exemple,  si  cette  rotation  est  positive  (resp.  négative)  autour  de  l’axe  vertical  de  la  sphère  de  Poincaré,  alors  le  processus  d’attraction  favorisera  un  état  de  polarisation  circulaire  gauche  (resp.  droite).  Ainsi, en modifiant le réglage d’un contrôleur  de  polarisation  à  fibre  inséré  avant  l’amplificateur  optique,  il  est  possible  de  passer  d’un  polariseur  circulaire  droit  à  un  polariseur circulaire gauche.   L’attraction de l’état de polarisation initial vers  un état circulaire n’est parfaite que pour une  fibre de longueur infinie. En pratique, l’état de  polarisation  final  est  proche  d’un  pôle  de  la  sphère de Poincaré, sans être confondu avec  celui‐ci.  Cependant,  cet  écart  reste  faible :  l’équipe  de  l’ICB  a  inséré  son  polariseur  non  linéaire dans une chaine de caractérisation du  taux d’erreur binaire d’un signal optique à 40  Gbit/s, en plaçant le photo‐détecteur derrière  un polariseur linéaire classique, sans observer  d’erreurs binaires.    Le temps de réponse du dispositif dépend de  la longueur de la fibre, comme dans le cas du  système pompe/signal. Dans sa configuration  actuelle, l’état de polarisation en sortie reste  stable lorsque la polarisation d’entrée fluctue  à  des  échelles  de  temps  d’une  trentaine  de  microsecondes.  Avec  des  fibres  optiques  présentant  des  non  linéarités  plus  importantes, il devrait être possible de gagner  un facteur 10 sur le temps de réponse. Enfin,  un  autre  aspect  important  pour  les  applications  en  télécommunications  est  le  fonctionnement  en  régime  WDM.  Vu  le  caractère fortement non linéaire du système,  il  est  probable  que  des  interactions  croisées  entre canaux pénalisent son fonctionnement.  L’équipe de l’ICB étudie actuellement ce sujet.    Sphère de Poincaré  On représente usuellement un état de polarisation par un point dans la sphère de Poincaré de rayon unité. Un  état de polarisation est caractérisé par les coordonnées S1/S0, S2/S0 et S3/S0 où S0 est l'intensité totale, S1, S2, S3,  sont  les  différences  d’intensité  entre,  respectivement,  polarisation  horizontale  et  polarisation  verticale,  polarisations  rectilignes  orientées  à  45°  et  ‐45°  et  polarisations  circulaires  gauche  et  droite.  L’état  de  polarisation d’une onde entièrement polarisée est donc représenté par un point de la surface de la sphère. Ce  point peut être également défini en coordonnées sphériques par les angles 2 et 2 caractérisant un état de  polarisation elliptique où  est l’angle du grand axe de l’ellipse et  son ellipticité.      Figure 3 : Représentation des états de polarisation sur la sphère de Poincaré. Source : Wikipédia.