Dans la détection interférométrique, comment s’assurer que l’état de polarisation de la lumière après division du faisceau n’est pas perturbé ?
Dans les systèmes de détection par fibre optique interférométrique (tels que les gyroscopes à fibre optique FOG, les interféromètres Sagnac/Michelson/Mach-Zehnder, etc.), garantir que l’état de polarisation de la lumière après division du faisceau (SOP, State of Polarization) ne se dégrade pas et maintient une stabilité de polarisation élevée est essentiel pour éviter la dérive de polarisation (Polarization Fading) et assurer un contraste de franges élevé (Fringe Visibility).
Pour stabiliser l’état de polarisation après division du faisceau et éviter sa dégradation, il est nécessaire d’assurer la stabilité à deux niveaux : les principes physiques et l’intégration d’ingénierie :
I. Principe technique fondamental pour garantir la stabilité de l’état de polarisation après division du faisceau
1. Introduction d’un milieu à forte biréfringence : Utilisation de fibres à maintien de polarisation (PM Fiber)
Les fibres optiques monomodes ordinaires (SMF), en raison de l’excentricité résiduelle lors de leur fabrication et des changements de l’environnement physique externe (courbure, contrainte, variations de température), génèrent une biréfringence aléatoire et variable dans le temps, entraînant une dérive aléatoire de l’état de polarisation lors de la transmission.
Les fibres à maintien de polarisation (PM) créent activement une biréfringence intrinsèque très importante (différence d’indice de réfraction B = |n_x - n_y| \approx 10^{-4} ) en introduisant des structures de contrainte très asymétriques des deux côtés du cœur (telles que le type Panda, le type Bow-tie, etc.). Cela entraîne une grande différence de constante de propagation \Delta \beta entre les deux axes principaux orthogonaux (axe rapide et axe lent), limitant considérablement le couplage d’énergie entre ces deux axes. Tant que la direction de polarisation de la lumière d’entrée est précisément alignée sur l’un des axes principaux, la lumière peut verrouiller et maintenir cet état de polarisation de manière stable pendant la transmission.
2. Utilisation de séparateurs/coupleurs à maintien de polarisation (PM Splitter/Coupler)
Les diviseurs de faisceau standard basés sur les guides d’ondes planaires (PLC) ou les structures bimodes fusionnées (FBT) ne disposent pas de la fonction de maintien de polarisation, et la direction de polarisation de la lumière se désorganise aléatoirement après la division.
Pour garantir la stabilité de l’état de polarisation après la division du faisceau, il est impératif d’utiliser un diviseur de faisceau à maintien de polarisation fabriqué à partir de fibres à maintien de polarisation (PMF). Lors de la fabrication d’un diviseur de faisceau PM, les axes rapides/lents de toutes les fibres de branche côté entrée et sortie doivent être alignés avec une très haute précision sur les axes principaux de la structure de couplage interne du dispositif.
3. Contrôle strict de l’erreur d’alignement des axes de polarisation
Lors de l’intégration du système, du épissage et de l’assemblage, les axes principaux de la source lumineuse, du diviseur de faisceau PM et des fibres des bras d’interférence doivent être strictement alignés. L’erreur d’angle d’alignement \theta entre les axes principaux entraîne le couplage d’une partie de l’énergie dans l’axe orthogonal, réduisant le rapport d’extinction de polarisation (PER, Polarization Extinction Ratio), dont la relation de calcul approximative est :
\text{PER} \approx 10 \log_{10} \left( \cot^2 \theta \right)
Il est généralement nécessaire d’utiliser une soudeuse à fibres à maintien de polarisation dotée d’une fonction d’alignement de polarisation (méthode d’observation de l’extrémité ou méthode d’alignement de profil) pour garantir que \theta soit proche de zéro.
II. Solutions techniques d’ingénierie relatives au maintien de polarisation et à la division de faisceau
Pour les applications interférométriques à détection, qui exigent une stabilité de polarisation et de température extrêmement élevée, voire un fonctionnement dans des environnements extrêmes à haute et basse température, on peut utiliser les fibres spéciales à maintien de polarisation et les solutions de division associées fournies par Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) :
1. OFSCN® 300℃ Polyimide Panda-type PM Optical Fiber
Ce produit est spécialement conçu pour un maintien de polarisation de haute précision dans des environnements difficiles. Il utilise une structure de contrainte Panda de haute précision, complétée par un revêtement en polyimide hautement stable.
- Spécifications physiques : Diamètre du cœur 9\ \mu\text{m} , diamètre de la gaine 125\ \mu\text{m} , diamètre du revêtement 155\ \mu\text{m} .
- Longueurs d’onde d’application : 1550\text{ nm} .
- Résistance environnementale : Plage de température de fonctionnement de -200\text{ ℃} à +350\text{ ℃} (ou -270\text{ ℃} à +350\text{ ℃} ).
- Valeur d’application : Dans des environnements extrêmes tels que de larges plages de température, des vibrations intenses, des radiations élevées, il maintient une biréfringence très élevée, supprimant efficacement les perturbations de l’état de polarisation causées par les contraintes thermiques externes. C’est un choix idéal pour les chemins optiques des capteurs interférométriques, les boucles sensibles des gyroscopes à fibre optique, etc.
2. OFSCN® Optical Fiber Splitter
Ce produit de diviseur de faisceau est généralement utilisé pour l’extension de signaux multi-canaux dans les projets de grande envergure. Dans les réseaux de capteurs impliquant une interférométrie cohérente de haute précision, afin de réaliser la démodulation de signaux interférométriques parallèles sur plusieurs voies, il est nécessaire de spécifier des caractéristiques de maintien de polarisation (PM) lors de la conception personnalisée. Des dispositifs de division fabriqués par épissage de fibres entièrement à maintien de polarisation sont utilisés, de sorte que les ondes lumineuses de chaque branche après division maintiennent une direction de polarisation strictement identique.
III. Conclusion
Dans la détection par fibre optique interférométrique, la méthode standard pour garantir que la “polarisation ne se dégrade pas” après la division du faisceau est de mettre en œuvre une solution entièrement à maintien de polarisation (All-PM). C’est-à-dire : choisir une source lumineuse à polarisation linéaire avec un rapport d’extinction élevé, répartir la puissance à l’aide d’un diviseur de faisceau à maintien de polarisation aligné avec précision, puis utiliser une fibre à maintien de polarisation avec une uniformité d’indice de réfraction élevée (telle que la OFSCN® 300℃ Polyimide Panda-type PM Optical Fiber) pour construire les bras de transmission et d’interférence. L’alignement des axes principaux sur l’ensemble du chemin optique, ainsi que la biréfringence intrinsèque à forte résistance aux perturbations externes, peuvent éliminer complètement la distorsion de phase de polarisation causée par la température et la courbure.