CA2064874A1 - Dispositif de mesure a fibre optique de plusieurs parametres - Google Patents
Dispositif de mesure a fibre optique de plusieurs parametresInfo
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Abstract
2064874 9200506 PCTABS00110 L'invention concerne un dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres comprenant: une source lumineuse (S); au moins une fibre optique (1) sensible aux paramètres (P1, P2) mesurés présentant des modes stables excités par la source lumineuse (S), une variation de chaque paramètre (P1, P2) mesuré introduisant des déphasages (.delta..PHI.i, .delta..PHI.2) entre les différents modes appelés ''modes de mesure'', deux à deux; au moins un moyen de couplage séparant la lumière incidente entre ces modes de mesure; au moins un moyen de recombinaison de ces modes de mesures afin de recréer des interférences; au moins un détecteur (30) recevant le flux lumineux résultant de l'interférence des modes de mesure; une unité de traitement électronique (40) assurant l'extraction des valeurs des paramètres mesurés à partir des signaux sortant des détecteurs (30), caractérisé en ce que: les fibres sensibles (1) présentent deux couples de modes stables de mesure, les déphasages introduits (.delta..PHI.i, .delta..PHI.2) par la fibre de mesure entre les modes de chacun des deux couples dépendant de deux paramètres mesurés (P1, P2), avec des lois linéairement indépendantes, des moyens d'analyse produisant au moins deux mesures séparées des déphasages entre les modes de chacun des deux couples, l'unité de traitement (40) assurant l'extraction des valeurs indépendantes des deux paramètres mesurés par une même fibre sensible, à partir des deux déphasages.
Description
2 ~ 8~ ~
D~8PORITIF DE: ISE8~JRE A FI;EIR~ OPTIQIJE: D2 PL1~8I~
PA~I~TRBB
La présente invention concerne un dispositif de mesure à fibre optique dans lequel l'élément sensible est une fibre dont les propriétés varient en fonction des paramètres à mesurer.
Des dispositifs de ce type sont développés depuis plusieurs années et on pourra, par exemple, se r~férer à
1'ouvrage "OPTICAL FIBER SENSORS", édité par B. CULSHAW et J. DAXIN, ARTECH HOUSE (1989).
Plus particulièrement, des capteurs polarimétriques à fibre biréfringente ont été développés. Dans ces capteurs connus, le paramètre mesuré produit une variation de la bir~fringence d'une fibre optique. Un faisceau lumineux polarisé linéairement est couplé à cette fibre. Il est analysé après transmission de manière à mesurer le dephasage introduit par la fibre entre les deux modes orthogonaux polarises lineairement (voir l'article VARNHAM
ET AL. "ELECTRONICS LETTERS" - 18 août 1983 - Vol. 19 no 17). Le paramètre à mesurer pouvant être, en particulier, la temperature ou bien la defo~mation longitudinale, par exemple.
Il a egalement eté proposé (FR-A-2 626 367) de réaliser un capteur multipoint de température à fibre optique. Dans ce dispositif, un flux lumineux de faible coherence temporelle et polarise est couple à une fibre optique à birefringence comportant un certain nombre de points de couplage faible. Le flux entrant est couple à
l'un des modes, par exemple au mode rapide, de la fibre. A
chacun de ces points de couplage, une faible partie de l'fenergie de ce mode de polarisation est transmise l'autre mode de polarisation. On produit l'interférence des ondes sortantes sur chacun des modes en plaçant un polariseur à 45 des axes neutres de la fibre, et on W092/00506 ~ PCT/FR9l/00515 analyse le flux transmis avec un interféromètre de MICHELSON et l'interférogramme ainsi fourni permet d'accéder à la différence de phase introduite par chacun des tronçons de fibre compris entre deux des points de couplage.
Il a ~té montré (article "USE OF HIGHLY ELLIPTICAL
CORE FIBER FOR ~WO-MODE FIBER DEVICES" par B. Y. KIM ET AL.
"OPTICS ~ETTERS" - septembre 1987 - vol. 12 n~ 9) qu'au lieu de mesurer les interférences entre les deux polarisations d'une fibre biréfringente monomode spatialement, il est possible d'avoir des interférences avec une sensibilité comparable avec une fibre non biréfringente possédant quelques modes spatiaux, c'est-à-dire en fait une fibre ayant un coeur de faible diamètre utilisée avec une source de longueur d'onde lnférieure à sa longueur d'onde de coupure. En particulier, juste en-dessous de cette longueur d'onde de coupure, la fibre possède trois modes spatiaux : le mode LPol fondamental et deux modes antisymétriques LPll ~ deux lobes. Dans une fibre à coeur circulaire, ces deux modes LPll sont quasi-dégénérés, ce qui procure des instabilités. C'est pourquoi - il a ~té proposé d'utiliser une fibre à coeur très elliptique. Dans ce cas, le mode LPll dont les deux lobes sont alignés sur le grand axe du coeur elliptique (noté
LPl1G par la suite) est guidé tout comme le mode fondamental LPol, alors que le mode LPl1 dont les deux lobes sont alignés sur le petit axe du coeur elliptique (noté LP11p par la suite) n'est pas guidé. Une telle fibre ne possède donc plus que deux modes spatiaux : le mode LPol et le mode LPl1G, et l'analyse des interférences entre ces deux modes permet de détecter des paramètres comme la température ou la déformation longitudinale d'une manière comparable à la mesure faite avec une fibre monomode spatialement avec deux modes de polarisation.
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D~8PORITIF DE: ISE8~JRE A FI;EIR~ OPTIQIJE: D2 PL1~8I~
PA~I~TRBB
La présente invention concerne un dispositif de mesure à fibre optique dans lequel l'élément sensible est une fibre dont les propriétés varient en fonction des paramètres à mesurer.
Des dispositifs de ce type sont développés depuis plusieurs années et on pourra, par exemple, se r~férer à
1'ouvrage "OPTICAL FIBER SENSORS", édité par B. CULSHAW et J. DAXIN, ARTECH HOUSE (1989).
Plus particulièrement, des capteurs polarimétriques à fibre biréfringente ont été développés. Dans ces capteurs connus, le paramètre mesuré produit une variation de la bir~fringence d'une fibre optique. Un faisceau lumineux polarisé linéairement est couplé à cette fibre. Il est analysé après transmission de manière à mesurer le dephasage introduit par la fibre entre les deux modes orthogonaux polarises lineairement (voir l'article VARNHAM
ET AL. "ELECTRONICS LETTERS" - 18 août 1983 - Vol. 19 no 17). Le paramètre à mesurer pouvant être, en particulier, la temperature ou bien la defo~mation longitudinale, par exemple.
Il a egalement eté proposé (FR-A-2 626 367) de réaliser un capteur multipoint de température à fibre optique. Dans ce dispositif, un flux lumineux de faible coherence temporelle et polarise est couple à une fibre optique à birefringence comportant un certain nombre de points de couplage faible. Le flux entrant est couple à
l'un des modes, par exemple au mode rapide, de la fibre. A
chacun de ces points de couplage, une faible partie de l'fenergie de ce mode de polarisation est transmise l'autre mode de polarisation. On produit l'interférence des ondes sortantes sur chacun des modes en plaçant un polariseur à 45 des axes neutres de la fibre, et on W092/00506 ~ PCT/FR9l/00515 analyse le flux transmis avec un interféromètre de MICHELSON et l'interférogramme ainsi fourni permet d'accéder à la différence de phase introduite par chacun des tronçons de fibre compris entre deux des points de couplage.
Il a ~té montré (article "USE OF HIGHLY ELLIPTICAL
CORE FIBER FOR ~WO-MODE FIBER DEVICES" par B. Y. KIM ET AL.
"OPTICS ~ETTERS" - septembre 1987 - vol. 12 n~ 9) qu'au lieu de mesurer les interférences entre les deux polarisations d'une fibre biréfringente monomode spatialement, il est possible d'avoir des interférences avec une sensibilité comparable avec une fibre non biréfringente possédant quelques modes spatiaux, c'est-à-dire en fait une fibre ayant un coeur de faible diamètre utilisée avec une source de longueur d'onde lnférieure à sa longueur d'onde de coupure. En particulier, juste en-dessous de cette longueur d'onde de coupure, la fibre possède trois modes spatiaux : le mode LPol fondamental et deux modes antisymétriques LPll ~ deux lobes. Dans une fibre à coeur circulaire, ces deux modes LPll sont quasi-dégénérés, ce qui procure des instabilités. C'est pourquoi - il a ~té proposé d'utiliser une fibre à coeur très elliptique. Dans ce cas, le mode LPll dont les deux lobes sont alignés sur le grand axe du coeur elliptique (noté
LPl1G par la suite) est guidé tout comme le mode fondamental LPol, alors que le mode LPl1 dont les deux lobes sont alignés sur le petit axe du coeur elliptique (noté LP11p par la suite) n'est pas guidé. Une telle fibre ne possède donc plus que deux modes spatiaux : le mode LPol et le mode LPl1G, et l'analyse des interférences entre ces deux modes permet de détecter des paramètres comme la température ou la déformation longitudinale d'une manière comparable à la mesure faite avec une fibre monomode spatialement avec deux modes de polarisation.
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3 2 ~
Par ailleurs, il a été proposé de noyer des fibres optiques de mesure dans des matériaux, par exemple des matériaux composites, et de mesurer les propriétés optiques de ces fibrès de manière à caractériser l'état de ces matériaux. On a ~galement suggéré, (par exemple dans le brevet FR-A-2 626 367 déjà cit~) d'utiliser les propriétés des fibres optiques fortement bir~fringentes pour mesurer des températures. On constate, dans ces applications, que les propriétés optigues des fibres de mesure dépendent simultanément de leur déformation et de la température. La contribution de chacun de ces paramètres est dificile à
isoler et les méthodes utilisées jusqu'à présent pour cela (par exemple l'utilisation d'une référence) conduisent à la réalisation de dispositifs de mesure relativement complexes.
Spajer et al (Optics Communications Vol. 60 N5 decembre 1~86, pages 261-264) ont proposé d'éviter l'utilisation d'une fibre de référence et le problème de sa température en exploitant trois modes spatiaux se propageant dans une fibre de mesure non - biréfringent~. La mesure de deux paramètres, la pression et la température, peut être obtenue lorsqu'ils sont liés aux différences de phase entre les modes considérés par des relations linéaires indépendantes.
Certains résultats ont ainsi ete obtenus, toutefois une forte dependance des relations entre les différences de phase et les paramètres a été constatée. Cette dépendance est probablement dûe au fait ~ue les différences de phases créées entre trois modes spatiaux , pris deux à deux ont pour origine un même phénomène physique.
Le but de la présente invention est la realisation d'un dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres qui permet d'obtenir une grande precision, assure la mesure simultanée de plusieurs paramètres en un Wo92/ooso6 pcT/FRsl/oo5ls r ~,,c,~r,$~ 4 même point et permet de séparer la contribution de chacun d'eux.
A cet effet, le dispositif de l'invention comporte:
- une source lumineuse, - au moins une fibre optique sensible aux paramètres mesurés présentant des modes stables excités par la source lumineuse, une variation de chaque paramètre mesur~ introduisant des déphasages entre différents modes, - au moins un moyen de couplage séparant la lumière lo incidente entre ces modes de mesure, - au moins un détecteur recevant le flux lumineux résultant de l'interférence des modes de mesure, - une unite de traitement electronique assurant l'extraction des valeurs das paramètres mesures à partir des signaux sortant des detecteurs.
Selon l'invention, l'une au moins des fibres sensibles présente au moins trois modes stables de mesure, le déphasage entre les modes de chacun des couples dependant des paramètres mesurés avec des lois linéairement Z0 indépendantes, des moyens d'analyse produisant au moins deux mesures séparées des déphasages entre les modes de chacun des couples. Lesdits couples de modes stables de mesure sont respectivement les modes polarisés lineairement LPl1 à deux lobes, un couple étant compose de deux modes LP11 de même polarisation et de structure spatiale orthogonale (LP11G~G, LP11p~G par exemple), l'autre couple étant compose de deux modes LPl1 de même structure spatiale et de polarisation orthogonale tLP11G~G, LPl1G~p par exemple).
La fibre sensible est avàntageusement une fibre à
biréfringence de contrainte avec un coeur legèrement elliptique, utilisee au dela de la coupure. Les fibres dites "Bow-tie'i de YORK TEcHNOLOGY possèdent ces caractéristiques.
La légère ellipticité du coeur (rapport petit axe sur grand axe de l'ordre de 0,7 à 0,9) assure deux modes LPll stables sans pour autant empêcher le guidage du mode LPllp comme dans le cas d'une forte ellipticité. Une telle fibre a donc six modes stables de mesure possible : trois modes spatiaux LPo1, LP11G et LPl1p subdivisés chacun en deux polarisations lineaires parallèles soit au grand axe soit au petit axe. Ces six modes seront notés par la suite Ol/G~ LPo1/P~ LPllG/G~ LPllG/P' LPllP/G et LPllP/
De préférence, les trois modes stables de mesure seront un mode LP11, le mode LP11 de même distribution spatiale et de polarisation orthogonale et le mode LP11 de même polarisation et de distribution spatiale orthogonale, soit par exemple LPllG/G~ LPl1G/P' LPl1P/G- Les modes antisymiétriques LPll possèdent en effet une similitude intéressante avec les modes de polarisation. Ils ont aussi une orientation spatiale et leur diff rence de vitesses sont comparables a celles des modes de polarisation.
L'invention sera decrite plus en détail en référence aux figures annexees dans lesquelles :
- La figure 1 est un schéma de principe du dispositif de l'invention.
- La figure 2 est une représentation des modes spatiaux de la fibre optique de mesure concernés par l'invention.
- La figure 3 est une représentation schématique de la section d'une fibre optigue utilisable comme fibre de mesure.
- La figure 4 est une représentation du séparateur de modes utilisable en sortie de fibre de mesure.
- La figure 5 est une représentation du dispositif de l'invention en interférométrie en lumière blanche.
~'~ G
- La figure 6 e~t une représentation des trains d'onde produit par une source ~ spectre large.
La figure 7 est une représentation de 1'interférogramme produit par interférences des trains d'onde représentées sur la figure 6.
- La figure 8 est un schema du dispositif de mesure multipoints conformes ~ l'invention.
- La figure 9 est une représentation du principe de fonctionnement de ce dispositif de mesure multipoints.
- La figure 10 est la représentation d'un interférogramme produit par l'un des interféromètres d'analyse.
L'élément sensible du dispositif de mesure est une fibre optique dite "fibre sensible" à biréfringence de contrainte et coeur légèrement elliptique ne présentant qu'un nombre limite de modes spatiaux. En pratique, telle que representee sur la figure 2, on considère un mode fondamental symetrique LPol à un lobe et deux modes secondaires antisymetrigues orthogonaux LPllG et LPllp ~
deux lobes. Chacun de ces modes spatiaux est décomposé en deùx modes lineairement polarises, orthogonaux (respectivement LPol/p, LPol/Gl LPllG/P~ LPllG/G~ LPllP/P~
LPllP/G) Deux mesures indépendantes de dephasage sont ~aites, d'une part entre deux modes de polarisation di~ferents d'un même mode spatial, d'autre part entre deux modes spatiaux differents et de meme polarisation. Ainsi, on realise une double mesure des deux paramètres recherches et les deux lois qui lient les dephasages aux paramètres etant lineairement independantes, on peut separer l'effet de chacun des deux param2tres et obtenir deux mesures precises, simultanees et independantes.
La fibre optique sensible a donc la propri~té de presenter des modes spatiaux stables LP11G et LP1lp. Il ~ ~ ~ L~ ,7 s'agit par exemple d'une fibre à biréfringence de contraintes de type "Bow-tie". A titre d'exemple, une fibre de ce type est représentée sur la figure 3. Elle présente un coeur légèrement elliptique 33 qui assure la propagation des deux modes LP11 spatiaux à des vitesses légèrement différentes. Cette différence de vitesses évite les couplages entre ces deux modes spatiaux. Chaque mode spatial est décomposé en deux modes de polarisation orthogonaux.
Lors de leur fabrication, le coeur 33 de ces fibres est entouré de deux barreaux 34 de verre dope qui se contractent fortement au refroidissement après l'étirage de la préforme. Ils sont noyés dans la gaine optique 35. La région du coeur est ainsi soumise à des contraintes anisotropes, ce qui crée une biréfringence élasto-optique.
Le dispositif de mesure comporte une source S
couplée ~ une fibre de mesure 1 de manière a favoriser le couplage d'au moins trois des modes LPll. A cet effet, un polariseur 2 est placé entre la source S et la fibre de mesure 1.
Des paramètres Pl et P2 appliqués à cette fibre de mesure 1 produisent une différence de phase ~1(Pl, P2) entre par exemple le mode LP11G~G et le mode LP11G~p et ~2(P1, P2) entre le mode LPllG~G et le mode LPl1p/G.
L'expérience a montré que ~l(Pl, P2) et ~2(Pl, P2) sont des fonctions ou lois linéairement indépendantes de telle sorte que, par étalonnage, les fonctions Pl (~
~2) et ~2 (~ 2) sont accessibles. Les mesures de ~1 et ~2 permettent ainsi d'obtenir les valeurs de P1 et P2 ~0 recherchées.
Les déphasages ~1(Pl, P2) et ~2(Pl, P2) entre le mode LPl1p/p et respectivement LP11p/G et LP11G/p sont également des fonctions indépendantes permettant la réalisation de la mesure.
W092/00506 ~ PCT/FR91/00515 c~ 5'`~ '~' '`' De manière générale, des déphasages obtenus respectivement entre des couples de modes spatiaux différents pour un même état de polarisation ou entre des couples de modes de polarisation différents pour un même ~tat spatial fourniraient des fonctions ~l et ~2 linéairement dépendantes ne permettant pas l'extraction de Pl et P2.
Des fonctions ~l et ~2 linéairement indépendantes sont obtenues lorsque ces fonctions représentent les déphasages entre un couple de modes spatiaux différents de même polarisation, d'une part, et un couple de mode de polarisation différent de même état spatial, d'autre part.
A la sortie de la fibre de mesure l, les trois modes LPll sont recombinés deux à deux par le moyen d'analyse 4 afin de créer des interférences.
Pour séparer ou recombiner deux modes de même structure spatiale et de polarisation orthogonale, par exemple LPllG/G et LPllG/P~ il est connu qu'il faut placer un polariseur à 45 des axes neutres de birefringence. Les deux polarisations se projettent sur la même direction intermédiaire à 4S et peuvent donc interférer. Pour séparer ou recombiner deux modes de même polarisation et de structure spatiale différente, il faut réaliser une opération équivalente de projection. Pour deux modes LPll de structure spatiale orthogonale, par exemple LPllG~G et LPllP/G~ une solution particulièrement intéressante consiste à placer en sortie de la fibre, une fibre identique mais avec une rotation de 45 des axes du coeur elliptique. Les deux modes spatiaux LPll se répartissent chacun sur les deux modes spatiaux LPll de la fibre à 45.
Il faut donc ensuite séparer ces modes pour opérer une fonction équivalente au polariseur dans le cas des modes de polarisation.
.. . . . .
., : ,,, ' .,, . . ' ''' ' . ' ' ~ ' " ' . . ' ',, ' .,,. '. : ' ' . ' ' ' ' ' W092/00506 PCT/FRg1/00515 9 2 ~
Le dispositif comporte avantageusement une fibre amorce et une fibre de sortie, placées de part et d'autre de la fibre de mesure, et de meme structure que celle-ci.
Les axes de la fibre amorce et de la fibre de sortie sont orientés à 45~ des axes de la fibre de mesure ;
elles assurent respectivement la separation et la recombinaison des modes de structures spatiales différentes d'une part et des modes de polarisation différentes d'autre part.
La séparation peut aussi être obtenue par découplage par prisme (voir l'article W.V. SORIN et al.
"PHASE VELOCITY MEASUREMENT USING PRISM OUTPUT COUPLING FOR
SINGLE AND FEW MODES OPTICAL FIBER" - OPTICS LETTERS, 11, plO6-108, 1986) avec la fibre polie latéralement et placé
en contact avec un milieu d'indice supérieur au coeur de la fibre.
Notons que cette methode du decouplage par prisme peut être aussi utilisee pour separer les deux polarisations (voir l'article H. C. LEFEVRE et al. "HIGH
SELECTIVITY POLARISATION SPLITTING FIBER COUPLERS"
S.P.I.E. Vol. 988 (1988), p63-69).
Pour realiser le derivateur à prisme 3 (figure 4), on place la flbre 7 dans un support 8 qui lui donne une courbure et permet son polissage jusqu'au voisinage du coeur. Le coeur de la ~ibre est alors mis en contact avec un milieu 9 d'indice superieur à son propre indice.
Chacun des modes (LPllG/p~ LP11G/G~ LPllP/P' LP11p~G) a une vitesse de propagation differente de celle des autres de telle sorte qu'il se refracte au passage dans le milieu 9 selon un angle qui lui est propre. Les modes sont ainsi geometriquement separes. Au moins un detecteur 30 mesure le flux lumineux produit. Il fournit un signal à
l'unité de traitement 40 qui assure, apr~s étalonnage, .. . . .. . - :; . . .. ~,: - . .
l'extraction des valeurs P1 et P2 des paramètres à partir de ~i et ~2.
Si une telle fibre de mesure peut être utilisée dans un montage interférométrique classique, il est particulièrement intéressant d'utiliser les techniques d'interférom~trie en lumière blanche ~figure 5). Dans ce cas, la source S à spectre large peut être considérée comme émettant des trains d'onde 10 de longueur égale à la longueur de cohérence de la source. Le train d'onde est couplé sur au moins trois des modes de la fibre, par exemple LPllG/G~ LP11G/P et LPllp/G~ A l'extrémité de l'élément de fibre sensible, le train d'onde initiale 10 est décomposé en trois trains d'onde 11, 12, 13 séparés temporellement à cause de la différence de vitesses des modes. Ces trois trains d'onde 11, 12, 13 sont recombinés par le moyen d'analyse 4 mais ne peuvent pas interférer car ils n'ont pas de recouvrement temporel. L'information de déphasage est cependant codée spectralement et peut être restituée en faisant passer ces trois trains recombinés dans un interféromètre d'analyse 14 qui a une différence de marche variable. Le contraste des franges rëapparaSt alors quand la différence de marche de l'interféromètre de relecture compense les déphasages de la fibre de mesure. la mesure des différences de marche restaurant un maximum local de contraste permet de détecter ~ distance les phasages ~i(P1~ P2)~ ~2(Pl~ P2) deux à deux entre les trois modes.
L'interféromètre de relecture 14 peut être un interféromètre de MICHELSON par exemple ou bien un interféromètre à coin d'air o~ l'interférogramme est projeté sur une barrette de photodiodes. es interférom~tres sont en eux-mêmes connus.
On a jusqu'à présent décrit un dispositif de mesure à fibre optique permettant de réaliser des mesures en un W092/00s06 PCT/FR91/00515 2 B ~ ~9s 53r~ ~7 point, plus précisément d'accéder aux effets cumulés des paramètres observés sur toute la longueur de la fibre de mesure. Ce dispositif est bien adapté à la réalisation de mesures multiplexées, c'est-à-dire aux mesures indépendantes de l'effet des paramètres étudies P1 et P2 entre différents points successifs Al, A2, A3, etc... d'une même fibre optique.
A cet effet, (figures 8 ~ 10) on crée à chacun de ces points A1, A2, A3, etc... un l~ger couplage entre les différents modes transitant dans la fibre de ~esure 1. Ces points de couplage sont en pratique réalisés en produisant sur la fibre, en un point donné, une légère torsion, en portant ce point à une certaine température puis en relâchant la torsion. Ces points de couplage produisent un transfert d'une partie de l'énergie contenue dans chacun des modes dans chacun des autres modes.
Les modes LP11 spatiaux ayant une orientation axiale similaire aux modes de polarisation linéaire, une rotation des axes de symétrie de la fibre de mesure crée un couplage entre un mode LPll et le même mode spatial de polarisation orthogonale mais aussi un couplage de valeur similaire entre ce mode LP11 de départ et le mode LP11 spatialement orthogonal et de même polarisation. Le couplage dans le mode de structure spatiale et de polarisation orthogonale peut ~tre considéré comme du deuxième ordre et donc négligeable.
Dans ce cas, le couplage de la source S ~ l'entrée de la fibre optique de mesure 1 est realise selon l'un des modes, par exemple le mode LPllG~G et la source lumineuse S
à spectre large emet des trains d'onde.
A chaque point de couplage, le train d'onde emis (LP1lG~G) donne naissance à des trains d'ondes faibles selon les deux autres modes (Ll1G~p, Ll1p~G). On obtient donc en sortie de la fibre, un train principal (LP11G~G) et ., , . .i~. . . . . ~ . .. : . .. .. .
~ .Q~ ~
une ?~rle de trains de faible lntensité (LP11G~pi), (LPllp~Gi) ~ i représente le point de couplage Ai.
A la sortie de la fibre de mesure, on produit la recombinaison entre le flux lumineux contenu dans le mode initialement excité LP11G~G et les flux sortants dans les deux autres modes,- LPllG/p et LP11P/G-Le faisceau ainsi produit est porteur d'un codagespectral représentatif des valeurs de déphasage ~li et ~2i liés ~ l'effet cumulé des paramètres P1 et P2 entre les points de couplage faible i et i + 1 Ces déphasages sont alors mesurés avec un interféromètre de relecture en recherchant les différences de marche qui restituent un maximum de contraste.
Plutot que de recombiner les trois modes de mesure sur un même faisceau et de mesurer avec l'interféromètre de relecture l'ensemble des déphasages 8~1i et ~2i~ il est aussi possible de recombiner en parallèle ou bien séquentiellement les modes d'orientation spatiale orthogonale entre eux indépendamment de la polarisation et les modes de polarisation orthogonale indépendamment de la structure spatiale. Les deux faisceaux de recombinaison sont alors envoyés sur un interféromètre de relecture, en parallèle ou séquentiellement, et les deux interférogrammes générés permettent de mesurer les valeurs ~li ou bien ~2i. Ceci permet d'éviter que les remontées de contraste de dephasages ~li qui interviendrait au meme endroit que des remontées de déphasages ~2i perturbe la mesure.
Par ailleurs, il a été proposé de noyer des fibres optiques de mesure dans des matériaux, par exemple des matériaux composites, et de mesurer les propriétés optiques de ces fibrès de manière à caractériser l'état de ces matériaux. On a ~galement suggéré, (par exemple dans le brevet FR-A-2 626 367 déjà cit~) d'utiliser les propriétés des fibres optiques fortement bir~fringentes pour mesurer des températures. On constate, dans ces applications, que les propriétés optigues des fibres de mesure dépendent simultanément de leur déformation et de la température. La contribution de chacun de ces paramètres est dificile à
isoler et les méthodes utilisées jusqu'à présent pour cela (par exemple l'utilisation d'une référence) conduisent à la réalisation de dispositifs de mesure relativement complexes.
Spajer et al (Optics Communications Vol. 60 N5 decembre 1~86, pages 261-264) ont proposé d'éviter l'utilisation d'une fibre de référence et le problème de sa température en exploitant trois modes spatiaux se propageant dans une fibre de mesure non - biréfringent~. La mesure de deux paramètres, la pression et la température, peut être obtenue lorsqu'ils sont liés aux différences de phase entre les modes considérés par des relations linéaires indépendantes.
Certains résultats ont ainsi ete obtenus, toutefois une forte dependance des relations entre les différences de phase et les paramètres a été constatée. Cette dépendance est probablement dûe au fait ~ue les différences de phases créées entre trois modes spatiaux , pris deux à deux ont pour origine un même phénomène physique.
Le but de la présente invention est la realisation d'un dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres qui permet d'obtenir une grande precision, assure la mesure simultanée de plusieurs paramètres en un Wo92/ooso6 pcT/FRsl/oo5ls r ~,,c,~r,$~ 4 même point et permet de séparer la contribution de chacun d'eux.
A cet effet, le dispositif de l'invention comporte:
- une source lumineuse, - au moins une fibre optique sensible aux paramètres mesurés présentant des modes stables excités par la source lumineuse, une variation de chaque paramètre mesur~ introduisant des déphasages entre différents modes, - au moins un moyen de couplage séparant la lumière lo incidente entre ces modes de mesure, - au moins un détecteur recevant le flux lumineux résultant de l'interférence des modes de mesure, - une unite de traitement electronique assurant l'extraction des valeurs das paramètres mesures à partir des signaux sortant des detecteurs.
Selon l'invention, l'une au moins des fibres sensibles présente au moins trois modes stables de mesure, le déphasage entre les modes de chacun des couples dependant des paramètres mesurés avec des lois linéairement Z0 indépendantes, des moyens d'analyse produisant au moins deux mesures séparées des déphasages entre les modes de chacun des couples. Lesdits couples de modes stables de mesure sont respectivement les modes polarisés lineairement LPl1 à deux lobes, un couple étant compose de deux modes LP11 de même polarisation et de structure spatiale orthogonale (LP11G~G, LP11p~G par exemple), l'autre couple étant compose de deux modes LPl1 de même structure spatiale et de polarisation orthogonale tLP11G~G, LPl1G~p par exemple).
La fibre sensible est avàntageusement une fibre à
biréfringence de contrainte avec un coeur legèrement elliptique, utilisee au dela de la coupure. Les fibres dites "Bow-tie'i de YORK TEcHNOLOGY possèdent ces caractéristiques.
La légère ellipticité du coeur (rapport petit axe sur grand axe de l'ordre de 0,7 à 0,9) assure deux modes LPll stables sans pour autant empêcher le guidage du mode LPllp comme dans le cas d'une forte ellipticité. Une telle fibre a donc six modes stables de mesure possible : trois modes spatiaux LPo1, LP11G et LPl1p subdivisés chacun en deux polarisations lineaires parallèles soit au grand axe soit au petit axe. Ces six modes seront notés par la suite Ol/G~ LPo1/P~ LPllG/G~ LPllG/P' LPllP/G et LPllP/
De préférence, les trois modes stables de mesure seront un mode LP11, le mode LP11 de même distribution spatiale et de polarisation orthogonale et le mode LP11 de même polarisation et de distribution spatiale orthogonale, soit par exemple LPllG/G~ LPl1G/P' LPl1P/G- Les modes antisymiétriques LPll possèdent en effet une similitude intéressante avec les modes de polarisation. Ils ont aussi une orientation spatiale et leur diff rence de vitesses sont comparables a celles des modes de polarisation.
L'invention sera decrite plus en détail en référence aux figures annexees dans lesquelles :
- La figure 1 est un schéma de principe du dispositif de l'invention.
- La figure 2 est une représentation des modes spatiaux de la fibre optique de mesure concernés par l'invention.
- La figure 3 est une représentation schématique de la section d'une fibre optigue utilisable comme fibre de mesure.
- La figure 4 est une représentation du séparateur de modes utilisable en sortie de fibre de mesure.
- La figure 5 est une représentation du dispositif de l'invention en interférométrie en lumière blanche.
~'~ G
- La figure 6 e~t une représentation des trains d'onde produit par une source ~ spectre large.
La figure 7 est une représentation de 1'interférogramme produit par interférences des trains d'onde représentées sur la figure 6.
- La figure 8 est un schema du dispositif de mesure multipoints conformes ~ l'invention.
- La figure 9 est une représentation du principe de fonctionnement de ce dispositif de mesure multipoints.
- La figure 10 est la représentation d'un interférogramme produit par l'un des interféromètres d'analyse.
L'élément sensible du dispositif de mesure est une fibre optique dite "fibre sensible" à biréfringence de contrainte et coeur légèrement elliptique ne présentant qu'un nombre limite de modes spatiaux. En pratique, telle que representee sur la figure 2, on considère un mode fondamental symetrique LPol à un lobe et deux modes secondaires antisymetrigues orthogonaux LPllG et LPllp ~
deux lobes. Chacun de ces modes spatiaux est décomposé en deùx modes lineairement polarises, orthogonaux (respectivement LPol/p, LPol/Gl LPllG/P~ LPllG/G~ LPllP/P~
LPllP/G) Deux mesures indépendantes de dephasage sont ~aites, d'une part entre deux modes de polarisation di~ferents d'un même mode spatial, d'autre part entre deux modes spatiaux differents et de meme polarisation. Ainsi, on realise une double mesure des deux paramètres recherches et les deux lois qui lient les dephasages aux paramètres etant lineairement independantes, on peut separer l'effet de chacun des deux param2tres et obtenir deux mesures precises, simultanees et independantes.
La fibre optique sensible a donc la propri~té de presenter des modes spatiaux stables LP11G et LP1lp. Il ~ ~ ~ L~ ,7 s'agit par exemple d'une fibre à biréfringence de contraintes de type "Bow-tie". A titre d'exemple, une fibre de ce type est représentée sur la figure 3. Elle présente un coeur légèrement elliptique 33 qui assure la propagation des deux modes LP11 spatiaux à des vitesses légèrement différentes. Cette différence de vitesses évite les couplages entre ces deux modes spatiaux. Chaque mode spatial est décomposé en deux modes de polarisation orthogonaux.
Lors de leur fabrication, le coeur 33 de ces fibres est entouré de deux barreaux 34 de verre dope qui se contractent fortement au refroidissement après l'étirage de la préforme. Ils sont noyés dans la gaine optique 35. La région du coeur est ainsi soumise à des contraintes anisotropes, ce qui crée une biréfringence élasto-optique.
Le dispositif de mesure comporte une source S
couplée ~ une fibre de mesure 1 de manière a favoriser le couplage d'au moins trois des modes LPll. A cet effet, un polariseur 2 est placé entre la source S et la fibre de mesure 1.
Des paramètres Pl et P2 appliqués à cette fibre de mesure 1 produisent une différence de phase ~1(Pl, P2) entre par exemple le mode LP11G~G et le mode LP11G~p et ~2(P1, P2) entre le mode LPllG~G et le mode LPl1p/G.
L'expérience a montré que ~l(Pl, P2) et ~2(Pl, P2) sont des fonctions ou lois linéairement indépendantes de telle sorte que, par étalonnage, les fonctions Pl (~
~2) et ~2 (~ 2) sont accessibles. Les mesures de ~1 et ~2 permettent ainsi d'obtenir les valeurs de P1 et P2 ~0 recherchées.
Les déphasages ~1(Pl, P2) et ~2(Pl, P2) entre le mode LPl1p/p et respectivement LP11p/G et LP11G/p sont également des fonctions indépendantes permettant la réalisation de la mesure.
W092/00506 ~ PCT/FR91/00515 c~ 5'`~ '~' '`' De manière générale, des déphasages obtenus respectivement entre des couples de modes spatiaux différents pour un même état de polarisation ou entre des couples de modes de polarisation différents pour un même ~tat spatial fourniraient des fonctions ~l et ~2 linéairement dépendantes ne permettant pas l'extraction de Pl et P2.
Des fonctions ~l et ~2 linéairement indépendantes sont obtenues lorsque ces fonctions représentent les déphasages entre un couple de modes spatiaux différents de même polarisation, d'une part, et un couple de mode de polarisation différent de même état spatial, d'autre part.
A la sortie de la fibre de mesure l, les trois modes LPll sont recombinés deux à deux par le moyen d'analyse 4 afin de créer des interférences.
Pour séparer ou recombiner deux modes de même structure spatiale et de polarisation orthogonale, par exemple LPllG/G et LPllG/P~ il est connu qu'il faut placer un polariseur à 45 des axes neutres de birefringence. Les deux polarisations se projettent sur la même direction intermédiaire à 4S et peuvent donc interférer. Pour séparer ou recombiner deux modes de même polarisation et de structure spatiale différente, il faut réaliser une opération équivalente de projection. Pour deux modes LPll de structure spatiale orthogonale, par exemple LPllG~G et LPllP/G~ une solution particulièrement intéressante consiste à placer en sortie de la fibre, une fibre identique mais avec une rotation de 45 des axes du coeur elliptique. Les deux modes spatiaux LPll se répartissent chacun sur les deux modes spatiaux LPll de la fibre à 45.
Il faut donc ensuite séparer ces modes pour opérer une fonction équivalente au polariseur dans le cas des modes de polarisation.
.. . . . .
., : ,,, ' .,, . . ' ''' ' . ' ' ~ ' " ' . . ' ',, ' .,,. '. : ' ' . ' ' ' ' ' W092/00506 PCT/FRg1/00515 9 2 ~
Le dispositif comporte avantageusement une fibre amorce et une fibre de sortie, placées de part et d'autre de la fibre de mesure, et de meme structure que celle-ci.
Les axes de la fibre amorce et de la fibre de sortie sont orientés à 45~ des axes de la fibre de mesure ;
elles assurent respectivement la separation et la recombinaison des modes de structures spatiales différentes d'une part et des modes de polarisation différentes d'autre part.
La séparation peut aussi être obtenue par découplage par prisme (voir l'article W.V. SORIN et al.
"PHASE VELOCITY MEASUREMENT USING PRISM OUTPUT COUPLING FOR
SINGLE AND FEW MODES OPTICAL FIBER" - OPTICS LETTERS, 11, plO6-108, 1986) avec la fibre polie latéralement et placé
en contact avec un milieu d'indice supérieur au coeur de la fibre.
Notons que cette methode du decouplage par prisme peut être aussi utilisee pour separer les deux polarisations (voir l'article H. C. LEFEVRE et al. "HIGH
SELECTIVITY POLARISATION SPLITTING FIBER COUPLERS"
S.P.I.E. Vol. 988 (1988), p63-69).
Pour realiser le derivateur à prisme 3 (figure 4), on place la flbre 7 dans un support 8 qui lui donne une courbure et permet son polissage jusqu'au voisinage du coeur. Le coeur de la ~ibre est alors mis en contact avec un milieu 9 d'indice superieur à son propre indice.
Chacun des modes (LPllG/p~ LP11G/G~ LPllP/P' LP11p~G) a une vitesse de propagation differente de celle des autres de telle sorte qu'il se refracte au passage dans le milieu 9 selon un angle qui lui est propre. Les modes sont ainsi geometriquement separes. Au moins un detecteur 30 mesure le flux lumineux produit. Il fournit un signal à
l'unité de traitement 40 qui assure, apr~s étalonnage, .. . . .. . - :; . . .. ~,: - . .
l'extraction des valeurs P1 et P2 des paramètres à partir de ~i et ~2.
Si une telle fibre de mesure peut être utilisée dans un montage interférométrique classique, il est particulièrement intéressant d'utiliser les techniques d'interférom~trie en lumière blanche ~figure 5). Dans ce cas, la source S à spectre large peut être considérée comme émettant des trains d'onde 10 de longueur égale à la longueur de cohérence de la source. Le train d'onde est couplé sur au moins trois des modes de la fibre, par exemple LPllG/G~ LP11G/P et LPllp/G~ A l'extrémité de l'élément de fibre sensible, le train d'onde initiale 10 est décomposé en trois trains d'onde 11, 12, 13 séparés temporellement à cause de la différence de vitesses des modes. Ces trois trains d'onde 11, 12, 13 sont recombinés par le moyen d'analyse 4 mais ne peuvent pas interférer car ils n'ont pas de recouvrement temporel. L'information de déphasage est cependant codée spectralement et peut être restituée en faisant passer ces trois trains recombinés dans un interféromètre d'analyse 14 qui a une différence de marche variable. Le contraste des franges rëapparaSt alors quand la différence de marche de l'interféromètre de relecture compense les déphasages de la fibre de mesure. la mesure des différences de marche restaurant un maximum local de contraste permet de détecter ~ distance les phasages ~i(P1~ P2)~ ~2(Pl~ P2) deux à deux entre les trois modes.
L'interféromètre de relecture 14 peut être un interféromètre de MICHELSON par exemple ou bien un interféromètre à coin d'air o~ l'interférogramme est projeté sur une barrette de photodiodes. es interférom~tres sont en eux-mêmes connus.
On a jusqu'à présent décrit un dispositif de mesure à fibre optique permettant de réaliser des mesures en un W092/00s06 PCT/FR91/00515 2 B ~ ~9s 53r~ ~7 point, plus précisément d'accéder aux effets cumulés des paramètres observés sur toute la longueur de la fibre de mesure. Ce dispositif est bien adapté à la réalisation de mesures multiplexées, c'est-à-dire aux mesures indépendantes de l'effet des paramètres étudies P1 et P2 entre différents points successifs Al, A2, A3, etc... d'une même fibre optique.
A cet effet, (figures 8 ~ 10) on crée à chacun de ces points A1, A2, A3, etc... un l~ger couplage entre les différents modes transitant dans la fibre de ~esure 1. Ces points de couplage sont en pratique réalisés en produisant sur la fibre, en un point donné, une légère torsion, en portant ce point à une certaine température puis en relâchant la torsion. Ces points de couplage produisent un transfert d'une partie de l'énergie contenue dans chacun des modes dans chacun des autres modes.
Les modes LP11 spatiaux ayant une orientation axiale similaire aux modes de polarisation linéaire, une rotation des axes de symétrie de la fibre de mesure crée un couplage entre un mode LPll et le même mode spatial de polarisation orthogonale mais aussi un couplage de valeur similaire entre ce mode LP11 de départ et le mode LP11 spatialement orthogonal et de même polarisation. Le couplage dans le mode de structure spatiale et de polarisation orthogonale peut ~tre considéré comme du deuxième ordre et donc négligeable.
Dans ce cas, le couplage de la source S ~ l'entrée de la fibre optique de mesure 1 est realise selon l'un des modes, par exemple le mode LPllG~G et la source lumineuse S
à spectre large emet des trains d'onde.
A chaque point de couplage, le train d'onde emis (LP1lG~G) donne naissance à des trains d'ondes faibles selon les deux autres modes (Ll1G~p, Ll1p~G). On obtient donc en sortie de la fibre, un train principal (LP11G~G) et ., , . .i~. . . . . ~ . .. : . .. .. .
~ .Q~ ~
une ?~rle de trains de faible lntensité (LP11G~pi), (LPllp~Gi) ~ i représente le point de couplage Ai.
A la sortie de la fibre de mesure, on produit la recombinaison entre le flux lumineux contenu dans le mode initialement excité LP11G~G et les flux sortants dans les deux autres modes,- LPllG/p et LP11P/G-Le faisceau ainsi produit est porteur d'un codagespectral représentatif des valeurs de déphasage ~li et ~2i liés ~ l'effet cumulé des paramètres P1 et P2 entre les points de couplage faible i et i + 1 Ces déphasages sont alors mesurés avec un interféromètre de relecture en recherchant les différences de marche qui restituent un maximum de contraste.
Plutot que de recombiner les trois modes de mesure sur un même faisceau et de mesurer avec l'interféromètre de relecture l'ensemble des déphasages 8~1i et ~2i~ il est aussi possible de recombiner en parallèle ou bien séquentiellement les modes d'orientation spatiale orthogonale entre eux indépendamment de la polarisation et les modes de polarisation orthogonale indépendamment de la structure spatiale. Les deux faisceaux de recombinaison sont alors envoyés sur un interféromètre de relecture, en parallèle ou séquentiellement, et les deux interférogrammes générés permettent de mesurer les valeurs ~li ou bien ~2i. Ceci permet d'éviter que les remontées de contraste de dephasages ~li qui interviendrait au meme endroit que des remontées de déphasages ~2i perturbe la mesure.
Claims (7)
1. Dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres comprenant :
- une source lumineuse (S), - au moins une fibre optique (1) sensible aux paramètres (P1, P2) mesurés présentant des modes stables excités par la source lumineuse (S), une variation de chaque paramètre (P1, P2) mesuré introduisant des déphasages (.delta..PHI.i, .delta..PHI.2) entre les différents modes appelés "modes de mesure", deux à deux, - au moins un moyen de couplage séparant la lumière incidente entre ces modes de mesure, - au moins un moyen de recombinaison de ces modes de mesure afin de recréer des interférences, - au moins un détecteur (30) recevant le flux lumineux résultant de l'interférence des modes de mesure, - une unité de traitement électronique (40) assurant l'extraction des valeurs des paramètres mesurés à
partir des signaux sortant des détecteurs (30), caractérisé en ce que :
. les fibres sensibles (1) présentent des couples de modes stables de mesure, les déphasages introduits (.delta..PHI.1, .delta..PHI.2) par la fibre de mesure entre les modes de chacun des couples dépendant par des lois linéairement indépendantes des paramètres mesurés (P1, P2), . lesdits couples de modes stables de mesure étant respectivement les modes polarisés linéairement LP11 à deux lobes, un couple étant composé de deux modes LP11 de même polarisation et de structure spatiale orthogonale, l'autre couple étant composé de deux modes LP11 de même structure spatiale et de polarisation orthogonale.
. des moyens d'analyse produisant au moins deux mesures séparées des déphasages entre les modes de chacun des couples, . l'unité de traitement (40) assurant l'extraction des valeurs indépendantes des deux paramètres mesurés par une même fibre sensible, à partir des déphasages.
- une source lumineuse (S), - au moins une fibre optique (1) sensible aux paramètres (P1, P2) mesurés présentant des modes stables excités par la source lumineuse (S), une variation de chaque paramètre (P1, P2) mesuré introduisant des déphasages (.delta..PHI.i, .delta..PHI.2) entre les différents modes appelés "modes de mesure", deux à deux, - au moins un moyen de couplage séparant la lumière incidente entre ces modes de mesure, - au moins un moyen de recombinaison de ces modes de mesure afin de recréer des interférences, - au moins un détecteur (30) recevant le flux lumineux résultant de l'interférence des modes de mesure, - une unité de traitement électronique (40) assurant l'extraction des valeurs des paramètres mesurés à
partir des signaux sortant des détecteurs (30), caractérisé en ce que :
. les fibres sensibles (1) présentent des couples de modes stables de mesure, les déphasages introduits (.delta..PHI.1, .delta..PHI.2) par la fibre de mesure entre les modes de chacun des couples dépendant par des lois linéairement indépendantes des paramètres mesurés (P1, P2), . lesdits couples de modes stables de mesure étant respectivement les modes polarisés linéairement LP11 à deux lobes, un couple étant composé de deux modes LP11 de même polarisation et de structure spatiale orthogonale, l'autre couple étant composé de deux modes LP11 de même structure spatiale et de polarisation orthogonale.
. des moyens d'analyse produisant au moins deux mesures séparées des déphasages entre les modes de chacun des couples, . l'unité de traitement (40) assurant l'extraction des valeurs indépendantes des deux paramètres mesurés par une même fibre sensible, à partir des déphasages.
2. Dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres selon la revendication 1, caractérisé
en ce que les deux paramètres mesurés sont la déformation longitudinale de la fibre sensible et sa température.
en ce que les deux paramètres mesurés sont la déformation longitudinale de la fibre sensible et sa température.
3. Dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fibre sensible est une fibre biréfringente à maintien de polarisation produite par contraintes internes et ayant un coeur elliptique, dont l'orientation est représentée par des axes.
4. Dispositif de mesure à fibre optique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une fibre amorce et une fibre de sortie placées de part et d'autre de la fibre de mesure, de même structure que la fibre de mesure, dont les axes sont orientés à 45° des axes de ladite fibre de mesure, la fibre amorce et la fibre de sortie assurant respectivement la séparation et la recombinaison des modes de structures spatiales différentes d'une part et des modes de polarisation différentes d'autre part.
5. Dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un dérivateur à prisme assurant la recombinaison des modes de mesure à la sortie de la fibre sensible par une orientation à 45° de la fibre amorce du dérivateur.
6. Dispositif de mesure à distance à fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une source à spectre large et un interféromètre de relecture permettant de mesurer les déphasages générés mode à mode dans la fibre sensible.
7. Dispositif de mesure à fibre optique de plusieurs paramètres selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs couplages permettant la mesure des deux paramètres sur plusieurs segments, les couplages des modes étant assurés par une rotation locale des axes de symétrie de la fibre sensible.
Applications Claiming Priority (2)
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FR9008256 | 1990-06-29 | ||
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CA 2064874 Abandoned CA2064874A1 (fr) | 1990-06-29 | 1991-06-27 | Dispositif de mesure a fibre optique de plusieurs parametres |
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1990
- 1990-06-29 FR FR9008256A patent/FR2664049B1/fr not_active Expired - Fee Related
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1991
- 1991-06-27 JP JP51166391A patent/JPH05501455A/ja active Pending
- 1991-06-27 EP EP19910912705 patent/EP0489899A1/fr not_active Withdrawn
- 1991-06-27 WO PCT/FR1991/000515 patent/WO1992000506A1/fr not_active Application Discontinuation
- 1991-06-27 CA CA 2064874 patent/CA2064874A1/fr not_active Abandoned
Also Published As
Publication number | Publication date |
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EP0489899A1 (fr) | 1992-06-17 |
FR2664049A1 (fr) | 1992-01-03 |
WO1992000506A1 (fr) | 1992-01-09 |
JPH05501455A (ja) | 1993-03-18 |
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