EP3864374A2 - Interféromètre de sagnac à fibre optique compact - Google Patents

Interféromètre de sagnac à fibre optique compact

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Publication number
EP3864374A2
EP3864374A2 EP19816823.9A EP19816823A EP3864374A2 EP 3864374 A2 EP3864374 A2 EP 3864374A2 EP 19816823 A EP19816823 A EP 19816823A EP 3864374 A2 EP3864374 A2 EP 3864374A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
optical
waveguide
optical waveguide
fiber optic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19816823.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Cédric MOLUCON
Jérôme HAUDEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Exail SAS
Original Assignee
iXBlue SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by iXBlue SAS filed Critical iXBlue SAS
Publication of EP3864374A2 publication Critical patent/EP3864374A2/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
    • G01C19/721—Details

Definitions

  • the present invention relates generally to the field of interferometric systems.
  • Such an interferometric system finds particular applications in fiber optic gyroscopes (or FOG for fiber-optic gyroscope) or also in electric current sensors (or FOCS for fiber-optic current sensor).
  • FIG. 1A schematically represents a Sagnac interferometric fiber optic loop system of the prior art.
  • This interferometric fiber optic system generally comprises a light source 4 emitting a source beam 100, a coil of optical fiber 6, a photodetector 5, and two optical beam splitters: a coil separator 19 and a source-receiver separator 45, says receiver splitter.
  • the coil separator 19 spatially separates the source beam 100 into a first divided beam 150 and a second divided beam 250 which propagate in opposite directions in the optical fiber coil 6.
  • the coil separator 19 recombines these two beams to form an interferometric beam 300.
  • the source-receiver separator 45 guides the interferometric beam 300 towards the photodetector 5.
  • the two divided beams emerge from the spool of optical fiber in phase, due to the reciprocity of the optical paths in the spool of optical fiber.
  • the rotation of the interferometric system around the axis of the optical fiber coil induces a phase difference proportional to the speed of rotation. From this property, called the Sagnac effect, follows the main application of a Sagnac loop interferometer to a gyroscope to measure a speed of rotation around the axis of the fiber optic coil.
  • a fiber optic Sagnac interferometric system comprises a multifunction integrated optical circuit 39 (denoted MIOC for Multifunction Integrated Optical Circuit in English terminology).
  • the integrated optical circuit 39 comprises optical waveguides preferably formed by proton exchange (or APE for Annealed Proton Exchange) on a flat electro-optical substrate, for example of lithium niobate.
  • the proton exchange on lithium niobate leads to the formation of mono-polarization guides and the input waveguide 29 therefore forms a single-mode waveguide polarizer which guides only a single linear polarization.
  • the integrated optical circuit 39 also comprises a coil splitter 19 of the Y-junction type formed by dividing the waveguide 29 into two single-mode secondary branches.
  • the integrated optical circuit 39 also includes electrodes 9 connected to an electric generator to form an electro-optical modulator adapted to modulate the phase shift of the two counter-propagating beams.
  • the flat substrate of the multifunction integrated optical circuit 39 can easily be connected on one side to the two ends of the optical fiber coil 6 and on a side opposite by a section of optical fiber 49 to the source-receiver separator 45.
  • a multiaxial fiber optic gyroscope has several optical fiber coils combined with one or more multifunction integrated optical circuits, the same source or several sources and one or more detectors.
  • Fiber optic gyroscopes are increasingly used for the measurement of rotation in inertial navigation or guidance systems, due to their performance in sensitivity, linearity and stability.
  • a fiber optic gyroscope using one or more fiber optic coils offers compactness advantages due to the use of optical fibers.
  • FIG. 1B schematically represents an interferometric Sagnac fiber optic line system of the prior art.
  • the same reference signs designate elements similar to those of FIG. 1A.
  • the optical fiber coil 66 is here formed from a circular polarization conservation fiber, produced for example in technology known as fiber with a helical stress structure (or "spun fiber" in English).
  • the optical fiber coil 66 is wound around an axis where there is an electrical current conductor, noted I.
  • a first end 661 of the optical fiber coil 66 is connected or fixed to a quarter wave plate 68.
  • the second end 662 of the optical fiber reel 66 is fixed to a mirror 77.
  • a polarization splitter-combiner 70 receives two linearly polarized beams 122, 123 according to orthogonal polarizations and injects them into a section of fiber with linear polarization maintenance 67
  • the quarter-wave plate 68 transforms these two linearly polarized beams 122, 123 into a first right circular polarized beam 133 and a second left circular polarized beam 132.
  • the first right circular polarized beam 133 and the second left circular polarized beam 132 are propagate in the optical fiber coil 66 to the mirror 77 where they are reflected by exchanging their polarization and form respective A first left circular polarized beam 143 and a second right circular polarized beam 142.
  • the first left circular polarized beam 143 and the second right circular polarized beam 142 run through the optical fiber coil 66 in the opposite direction. Thus, each light beam successively traverses the optical fiber coil 66 according to the two reverse states of circular polarization.
  • the quarter-wave plate 68 transforms the first left circular polarized beam 143 and the second right circular polarized beam 142 into two linearly polarized beams of transverse polarizations.
  • the electric current I aligned on the axis of the coil induces a phase difference between the circularly polarized beams propagating in the optical fiber coil 66.
  • the present invention provides a Sagnac interferometer with optical fiber in a loop or in line comprising a light source, a detection system and at least one optical fiber coil.
  • a fiber optic Sagnac interferometer comprising a hybrid integrated optical circuit comprising at least a first flat substrate made of electro-optical material and a second flat substrate made of material transparent to the wavelength of the source, the first substrate and the second substrate having a common interface between two adjacent sides, the first substrate comprising an optical input-output waveguide connected to the light source and to the detection system, a pair of other guides optical waveguide comprising a first optical waveguide and a second optical waveguide, the first optical waveguide and the second optical waveguide being connected to at least one end of the spool of optical fiber, an electro-optical modulation system comprising at least one electrode disposed along the first optical waveguide and / or the second waveguide optical, the second substrate comprising at least one U-shaped optical waveguide, the hybrid integrated optical circuit comprising a junction
  • Planar waveguide Y having a common branch and two secondary branches, the first substrate and the second substrate being arranged such that one end of the U-shaped optical waveguide is aligned with one end of the guide input-output optical waveform, and the other end of the U-shaped optical waveguide is aligned with the common branch of the Y junction, each of the two secondary branches of the junction
  • the Y junction is formed on the first substrate
  • the Y junction is formed on the second substrate
  • the U-shaped optical waveguide has a difference in refractive index with the second substrate of at least 0.05, and preferably between 0.1 and 0.2;
  • the U-shaped optical waveguide has a radius of curvature less than or equal to 1 mm, and preferably less than or equal to 0.5 mm.
  • the optical fiber coil is circular polarization conservation, the first end of the optical fiber coil being connected to a common branch of a polarization splitter coupler via a quarter wave plate, the second end of the optical fiber coil being connected to a mirror, the Y junction of the hybrid integrated circuit forming a beam splitter in the plane of the substrate, the first optical waveguide being connected to a first secondary branch of the separator-combiner polarization and the second optical waveguide being connected to a second secondary branch of the polarization splitter-combiner.
  • the first optical waveguide is connected to a first end of the optical fiber coil and the second optical waveguide is connected to a second end of the optical fiber coil.
  • the interferometer comprises N coils of optical fiber, where N is a natural integer greater than or equal to two, the first substrate comprising N optical input-output waveguides, N pairs other optical waveguides, each waveguide of said N pairs of other optical waveguides being connected to one end of one of the N coils of optical fiber, the electro-optical modulation system comprising at least N electrodes, each of the at least N electrodes being arranged along a waveguide of said N pairs of other optical waveguides, the second substrate comprising N U-shaped optical waveguides, the optical circuit hybrid integrated comprising N planar waveguide Y junctions, each Y junction of said N Y junctions having a common branch and two secondary branches, the first substrate and the second substrate being arranged so that one end of each U-shaped optical waveguide be aligned with one end of one of the N optical input-output waveguides, the other end of each U-shaped optical waveguide is aligned with the common branch of one of the N Y junctions, each
  • the detection system comprises at least a first detector
  • the hybrid integrated optical circuit further comprises a third flat substrate made of transparent material, the third substrate and the first substrate having another common interface between two adjacent sides, the third substrate comprising a plurality of optical waveguides, each end of optical waveguide of the first substrate on the other interface being connected to one end of optical waveguide of the third substrate;
  • the third substrate integrates the light source and at least one detector
  • the detection system comprises N detectors
  • the interferometer has N light sources
  • the first substrate is formed from a material chosen from lithium niobate, indium phosphide, gallium arsenide and aluminum and gallium arsenide;
  • the second substrate is formed from a material chosen from an optical glass, a silicon nitride, a silicon on insulator and silica on silicon.
  • FIG. 1A schematically shows a Sagnac interferometric fiber optic loop system according to the prior art
  • FIG. 1 B schematically shows an interferometric system Sagnac fiber optic line according to the prior art
  • FIG. 2 schematically represents a Sagnac interferometric system with a loop optical fiber and a hybrid integrated optical circuit according to a first embodiment
  • FIG. 3 schematically represents a Sagnac interferometric system with a loop optical fiber and a hybrid integrated optical circuit according to a second embodiment
  • FIG. 4 schematically shows a Sagnac interferometric system with three coils of loop optical fiber and a hybrid integrated optical circuit according to a variant of the second embodiment
  • FIG. 5 schematically represents a Sagnac interferometric system with a looped optical fiber and a hybrid integrated optical circuit according to a third embodiment
  • FIG. 6 schematically shows a Sagnac interferometric system with three coils of loop optical fiber and a hybrid integrated optical circuit according to a variant of the third embodiment
  • FIG. 7 shows schematically an interferometric system of Sagnac online optical fiber according to a particular embodiment.
  • FIG. 1A a fiber optic Sagnac interferometric system comprising an integrated lithium niobate optical circuit formed by proton exchange (or APE for annealed proton exchange), as illustrated for example in FIG. 1A.
  • the integrated optical circuit 39 in lithium niobate makes it possible to bring together several optical and electro-optical components thus performing several functions.
  • the input-output waveguide 29 formed by proton exchange makes it possible to linearly polarize the source beam 100.
  • this input-output waveguide 29 also serves as a spatial single-mode filter.
  • the Y junction 19 makes it possible to optically separate the source beam 100 into two divided incident beams 150, 250.
  • the Y junction 19 makes it possible to recombine the two divided beams having each traversed the coil in opposite directions to form the interference beam.
  • the electrodes 9 arranged along the two secondary branches of the Y junction are connected to an electric generator and make it possible to electro-optically modulate the phase between divided incident beams 150, 250.
  • the present disclosure provides a fiber optic interferometer using a hybrid integrated optical circuit.
  • the hybrid integrated optical circuit combines a first electro-optical plane substrate 1, for example made of lithium niobate, and at least one second transparent plane substrate 2, for example made of optical glass (for example borosilicate type).
  • the first substrate 1 is formed from an electro-optical material chosen from indium phosphide (InP), gallium arsenide (AsGa) and aluminum and gallium arsenide (AIGaAs). These materials are semiconductors and allow phase modulation.
  • InP indium phosphide
  • AsGa gallium arsenide
  • AIGaAs aluminum and gallium arsenide
  • the second substrate 2 is formed from a material transparent to the wavelength used (for example greater than 0.5 micrometer), chosen from silicon nitride, silicon on insulator (SOI) or silica on silicon .
  • first substrate 1 and the second substrate 2 are arranged end to end and in direct contact by one of their side, also called thickness of the substrates.
  • means of attachment are used between the first substrate 1 and the second substrate 2.
  • the attachment means comprise for example an adhesive and / or a mechanical support or any other suitable attachment means.
  • the first substrate 1 comprises several integrated optical components and / or optical waveguides.
  • the second substrate 2 comprises at least one U-shaped optical waveguide to form a planar optical circuit of the PLC type (or in English, "planar lightwave circuit").
  • FIG. 2 shows a Sagnac interferometric system with a looped optical fiber and a hybrid integrated circuit according to a first embodiment.
  • the interferometric system comprises a light source 4, a detection system 5, a fiber optic coil 6 and a hybrid integrated circuit 200.
  • the hybrid integrated circuit 200 here consists of a first substrate 1, for example made of lithium niobate and a second substrate 2, for example of optical glass (borosilicate).
  • the interferometric system here comprises a single coil of optical fiber 6.
  • the first substrate 1 generally has a geometric shape. In the plane of FIG. 2, or plane YZ in an orthonormal coordinate system (XYZ), the first substrate 1 has for example a rectangular shape.
  • the X, Y and Z axes coincide with the crystallographic axes of the first lithium niobate substrate 1: the light propagation axis (in the length of substrate 1) is the crystallographic Y axis, the thickness is the crystallographic X axis and the width is the crystallographic Z axis.
  • the first substrate 1 is preferably formed from a planar material having a thickness of between 0.35 mm and 2 mm, for example 0.5 mm or 1 mm in the direction of the X axis.
  • the sides of the first substrate 1, taken in the thickness, are preferably inclined at an angle relative to the plane XZ around the axis X or the axis Z to avoid parasitic retro-reflections at the interfaces.
  • the angles of inclination at the interfaces are adapted according to the Snell-Descartes laws.
  • the first substrate 1 comprises a first optical waveguide 11, a second optical waveguide 12 and an optical input-output waveguide 10.
  • the optical waveguides 10, 11, 12 are formed from preferably by proton exchange on a lithium niobate substrate.
  • at least a portion of the optical waveguides 10, 11, 12 is arranged parallel in the direction of the length L1 of the substrate 1.
  • Two electrodes 91 are deposited on either side along the first guide d optical wave 11.
  • Two electrodes 92 are deposited on either side along the second optical waveguide 12.
  • the first substrate 1 comprises a junction 166 of the Y junction type with guide planar wave having a common branch 160, a secondary branch 161 and another secondary branch 162.
  • each branch of the Y junction has a radius of curvature greater than at least 10 mm.
  • an optical waveguide formed by proton exchange on a lithium niobate substrate in APE only guides a polarization aligned in the direction of the crystallographic axis Z.
  • the optical input-output waveguide 10 is single-mode and forms a waveguide polarizer which guides only one polarization.
  • two electrodes 9 are deposited on either side along the optical input-output waveguide 10.
  • One end of the optical input-output waveguide 10 is connected to one end 101 of an input-output optical fiber 49.
  • the other end of the input-output optical fiber 49 is connected to a source-receiver separator 45.
  • the end 101 of the input-output optical fiber 49 is located on the same side of the substrate 1 as the two ends 61, 62 of the optical fiber reel 6.
  • the ends of the optical fiber reel 6 and the end 101 of the input-output fiber are for example arranged in a V-shaped support (or V-groove).
  • the second substrate 2 also generally has a geometric shape. In the plane of FIG. 2, or plane YZ, the second substrate 2 generally has the shape of a rectangle.
  • the second substrate 2 is preferably formed from a planar material having a thickness comprised between 0.5mm and 3mm, for example around 1 mm in the direction of the axis X.
  • the sides of the second substrate 2, taken in thickness are preferably inclined at an angle between 0 and 25 degrees relative to the plane XZ around the Z axis or the X axis to avoid parasitic reflections at the interface with the first substrate 1.
  • the angles of inclination of the substrate 1 and of the substrate 2 at this interface 20, are adapted according to the laws of Snell-Descartes.
  • the second substrate 2 has a U-shaped optical waveguide 21.
  • One end of the U-shaped optical waveguide 21 is aligned along the X and Z axes with one end of the input optical waveguide -outlet 10 at the interface 20 between the first substrate 1 and the second substrate 2.
  • the other end of the U-shaped optical waveguide 21 is aligned along the axes X and Z with one end of the common branch 160 of the junction Y 166 on the same interface 20.
  • the U-shaped optical waveguide 21 is for example formed by silver ion exchange in a sodium-doped borosilicate glass (Na) then by diffusion under thermal effect or by electric effect.
  • the optical waveguides 10, 11, 12 formed by proton exchange in the first substrate generally have an elliptical section.
  • the refractive index of the lithium niobate substrate is approximately 2.14 along the extraordinary Z axis, and approximately 2.21 along the ordinary X or Y axes at the wavelength of 1550 nm.
  • the mode half-width, equivalent to the radius of a Gaussian beam at 1 / e 2 in intensity in the direction parallel to the plane of the surface of the first substrate is of the order of 4 micrometers.
  • the mode half-width equivalent to the radius of a Gaussian beam at 1 / e 2 in intensity in the direction transverse to the plane of the surface of the first substrate is of the order of 2.5 micrometers.
  • the U-shaped waveguide has a cross section adapted according to the shape and dimensions of the waveguides of the first substrate.
  • the first substrate 1 and the second substrate 2 are arranged so as to align the ends of the U-shaped waveguide with the ends of the waveguides of the first substrate 1 at the interface 20.
  • first substrate 1 and of the second substrate 2 which are adjacent are transverse to the ends of the U-shaped optical waveguide 21, to the end of the input-output optical waveguide 10 and to the end of the waveguide forming the common branch 160 of the Y junction.
  • the adjacent, contiguous sides of the first substrate 1 and of the second substrate 2 are inclined at an angle between 0 and 25 degrees, for example 8 degrees from the XZ plane around the X and / or Z axis, so as to limit the parasitic retro-reflections at the interface 20 between the first substrate 1 and the second substrate 2.
  • the first and / or the second substrate are cut in the shape of a parallelogram.
  • the edges of the first and / or second substrate are cut in the form of an isosceles trapezoidal parallelepiped.
  • the two opposite sides in the width of the first substrate 1 are inclined relative to the plane XZ around the axis X and / or Z so as to avoid parasitic retro-reflections in the first substrate 1.
  • the U-shaped optical waveguide 21 can have a radius of curvature less than 1 mm and preferably less than 0.5 mm, while retaining the optical guiding properties, due to the difference in refractive index of the order of 0.02 to 0.1 between the core of the waveguide 21 and the substrate 2, for a waveguide having a diameter between 2 and 4 micrometers (pm).
  • the two opposite sides in the width of the second substrate 2 are inclined relative to the plane XZ around the axis X or Z so as to avoid parasitic retro-reflections in the second substrate 2.
  • optical fiber 101, 61, 62 are arranged on the same side of the hybrid integrated optical circuit 200. This arrangement makes it possible to limit the total size of the component with its connection optical fibers. This arrangement makes it possible to increase the radius of curvature of the ends of the spool of optical fiber 6 and / or of the optical input-output fiber 49.
  • the optical fibers are arranged so as to have a radius of curvature of at least 5 mm, to avoid bending losses.
  • the second substrate makes it possible to fold the optical path in the lithium niobate substrate and to limit the length of the hybrid integrated optical circuit 200.
  • the first substrate 1 has a length L1 of 16 mm, a width W1 of 3 mm and a thickness of 1 mm
  • the second substrate 2 has a length L2 of 3 mm, a width W2 of 3 mm and a thickness of 1 mm.
  • an integrated optical circuit as illustrated in FIG.
  • a lithium niobate substrate 1 integrating in series an input-output waveguide, a Y junction and two optical waveguides 11 , 12 parallels with a total length between 24 mm and 40 mm for a width of 3 mm and a thickness of 1 mm.
  • the hybrid integrated optical circuit 200 makes it possible to integrate several optical components on a composite substrate of reduced width.
  • the hybrid integrated optical circuit 200 makes it possible to reduce the length of the integrated optical circuit alone and the size of the integrated optical circuit connected to the optical fibers by approximately a factor of 2.
  • the hybrid integrated optical circuit of FIG. 2 thus makes it possible to increase the compactness of the interferometric fiber optic system.
  • the use of an integrated optical circuit hybrid also reduces the weight of the fiber optic interferometric system.
  • the hybrid integrated optical circuit 200 makes it possible to increase the length of the lithium niobate substrate, which makes it possible to lengthen the optical waveguides 11, 12 and the electrodes 91, 92 and thus lower the modulation voltage applied for the same modulation depth.
  • the use of a hybrid integrated optical circuit eliminates certain mounting operations and allows automated manufacturing, thereby reducing the manufacturing cost.
  • the hybrid integrated optical circuit illustrated in FIG. 2 makes it possible to combine a single mode waveguide in the form of a Y junction 166 and a single mode optical waveguide 21 in U shape, one end of the single mode optical waveguide 21 in form of U being connected to the common branch 160 of the single-mode waveguide in the form of a Y junction.
  • the source beam 100 is guided in the optical input-output waveguide 10 and then in the U-shaped optical waveguide 21.
  • the source beam is then transmitted and guided on the common branch 160 of the single-mode waveguide in the form of a Y-junction 166.
  • the Y-junction 166 separates the source beam into a first divided beam 150 and a second divided beam 250.
  • the first divided beam 150 propagates in a guided manner in the secondary branch 161 from the Y junction then in the first optical waveguide 11 towards the first end 61 of the optical fiber coil.
  • the second divided beam 250 propagates in a guided manner in the other secondary branch 162 of the Y junction then in the second optical waveguide 12 towards the second 62 of the optical fiber coil.
  • the first divided beam 150 traverses the coil in one direction and leaves it via the second end 62 and is guided in the second optical waveguide 12.
  • the second divided beam 250 traverses the coil in opposite directions and leaves it via the first end 61 and is guided in the first optical waveguide 11.
  • each secondary branch 161, 162 of the single-mode Y-shaped waveguide guides a beam having passed through the optical fiber coil in mutually opposite directions.
  • the Y 166 junction recombines these two beams to form an interference beam.
  • Part of the interference beam is guided by the common branch 160 of the Y junction.
  • the waveguide being single-mode, only one mode is guided on the common branch 160 of the Y junction.
  • an asymmetric mode propagates in an unguided manner in the substrate (Arditty et al., "Reciprocity properties of a branching waveguide", Fiber-Optic Rotation Sensors, Springer series in optical sciences, Vol. 32, 1982, pp. 102-110).
  • Part of this unguided asymmetric mode propagates in the first substrate 1 and is refracted at the interface 20 between the first substrate 1 and the second substrate 2 and then propagates in an unguided manner in the second substrate 2.
  • the guided part of the interference beam 300 propagates in the U-shaped optical waveguide 21 then in the input-output optical waveguide 10.
  • the optical waveguide 21 forms a filter spatial and the optical input-output waveguide 10 a polarization filter, in other words a polarizer.
  • the combination of the Y junction and the U-shaped waveguide makes it possible to avoid collecting the unguided asymmetric mode of the interference beam in the input-output waveguide 10 and / or in the optical fiber d input-output 49.
  • the source beam 100 and the guided interference beam 300 each pass through the optical input-output waveguide 10.
  • the optical input waveguide- output 10 is polarizing.
  • the optical waveguides 11 and 12 are also polarizing.
  • the light beam passes twice through the polarizer input-output optical waveguide 10, once through the optical waveguide 11 and once through the optical waveguide 12, for each counter propagating beam.
  • each beam makes four passes through a waveguide polarizer.
  • This quadruple passage in the polarizing optical waveguides 10, 11, 12 in lithium niobate is equivalent to a quadruple polarization filtering and therefore makes it possible to increase the extinction rate in polarization.
  • This quadruple passage through a polarizing waveguide can avoid placing an additional polarizer in series with the waveguide polarizer 10 and thus save the cost of an additional polarizer.
  • Electrodes 9 on the optical input-output waveguide 10 makes it possible to modulate the source beam for example to blur the coherence of the source.
  • Figure 3 there is shown an interferometric fiber optic loop system and hybrid integrated circuit according to a second embodiment.
  • the hybrid integrated circuit also consists of a first substrate 1, for example made of lithium niobate and a second substrate 2, for example of optical glass (for example of borosilicate type).
  • the Y junction is formed on the second substrate and not on the first substrate 1.
  • the first substrate 1 comprises a first optical waveguide 11, a second optical waveguide 12 and an optical input-output waveguide 10.
  • the optical waveguides 10, 11, 12 are preferably rectilinear and parallel to each other.
  • the second substrate 2 comprises a U-shaped optical waveguide 21.
  • the second substrate 2 also comprises a junction 26 of the Y junction type with planar waveguide having a common branch 260, a secondary branch 261 and another secondary branch 262.
  • One end of the U-shaped optical waveguide 21 is aligned along the X and Z axes with one end of the input-output optical waveguide 10 at the interface 20 between the first substrate 1 and the second substrate 2.
  • the other end of the U-shaped optical waveguide 21 is connected to one end of the common branch 260 of the Y junction on the second substrate 2.
  • One end of the secondary branch 261 of the Y junction on one side of the second substrate 2 is directly connected to one end of the first optical waveguide 11 on an adjacent side of the first substrate 1.
  • each branch of the junction Y can have a radius of curvature less than or equal to 1 mm.
  • the adjacent sides of the first substrate 1 and of the second substrate 2 are inclined respectively by an angle defined by the Snell-Descartes laws as a function of the effective index of the guides of the first substrate 1 and respectively of the second substrate 2.
  • the angles of inclination of the sides of the first substrate 1 and of the second substrate 2 are between 0 and 25 degrees, for example approximately 8 degrees relative to the plane XZ around the axis X or Z, so as to limit multiple internal reflections at interfaces. More precisely, the angles of inclination of the first substrate 1 and of the second substrate 2 are adapted according to the laws of Snell-Descartes.
  • the two opposite sides in the width of the second substrate 2 are inclined relative to the plane XZ around the axis X or Z so as to avoid multiple internal parasitic reflections in the second substrate 2.
  • the assembly of the first substrate 1 and the second substrate 2 is preferably automated in order to reduce manufacturing costs.
  • the combination of the Y junction 26 and the U-shaped waveguide 21 with large radii of curvature, of the order of 1 mm, makes it possible to greatly attenuate the antisymmetric mode which then propagates in the second substrate 2
  • the angle of inclination at the junction between the second substrate 2 and the air makes it possible to further reduce the parasitic couplings of the asymmetric mode in the input-output waveguide 10 of the first substrate 1.
  • the hybrid integrated circuit according to the second embodiment filters the asymmetric mode even more effectively than the first embodiment.
  • the first lithium niobate substrate 1 has a length L1 of 8 mm, a width W1 of 3 mm and a thickness of 1 mm
  • this second embodiment makes it possible to further reduce the total length, the weight and the cost of the hybrid integrated optical circuit.
  • the fiber optic interferometer according to the second embodiment is even more compact than that of the first embodiment.
  • the integrated optical circuit on glass is configured so as to introduce a difference in optical path length between the two secondary branches 261, 262 of the Y junction 26.
  • this difference in length is greater than the decoherence length of the light source used.
  • this difference in length is configured to be greater than 0.6 mm. This length difference makes it possible to avoid generating a Michelson-type interference phenomenon between the two ends of the Y junction in the glass substrate for a gyroscope in which the two paths are not uncorrelated.
  • the fiber optic interferometric system according to any of the embodiments can be generalized for a two, three or N fiber optic interferometric system, where N is a natural integer greater than or equal to 2.
  • FIG. 4 schematically represents an interferometric system with three coils of optical fiber and with a hybrid integrated circuit according to a variant of the second embodiment.
  • the interferometric system comprises a first optical fiber coil 6, a second optical fiber coil 7, a third optical fiber coil 8 and a hybrid integrated circuit 200.
  • the hybrid integrated circuit 200 also consists of a first substrate 1, by example of lithium niobate and of a second substrate 2, for example of optical glass (borosilicate).
  • the first substrate 1 comprises a first optical waveguide 11 and a second optical waveguide 12 each having one end connected to one of the ends of the first coil of optical fiber 6. Electrodes 91, respectively 92, are arranged along the first optical waveguide 11 and respectively of the second optical waveguide 12.
  • the second substrate 2 comprises a first Y junction 26 and a first U-shaped optical waveguide 21 similar to those described in link with FIG. 3. The end of the first, respectively second, secondary branch of the Y junction 26 is connected to another end of the first optical waveguide 11, respectively of the second optical waveguide 12 at the interface 20 between the first substrate 1 and the second substrate 2. One end of the first U-shaped optical waveguide 21 is connected to the common branch of the Y junction 26.
  • the first substrate 1 also includes a first input-output waveguide 10.
  • electrodes 9 are arranged along the first input-output waveguide 10.
  • the other end of the first U-shaped optical waveguide 21 is connected to one end of the first waveguide d input-output 10, at the interface 20 between the first substrate 1 and the second substrate 2.
  • the other end 101 of the first input-output waveguide 10 is connected to a source and a detector, so similar to Figure 3.
  • the first substrate 1 also comprises a third optical waveguide 13 and respectively a fourth optical waveguide 14 each having one end connected to one of the ends 71, respectively 72, of the second reel of optical fiber 7. Electrodes 93, respectively 94, are arranged along the third optical waveguide 13 and respectively of the fourth optical waveguide 14.
  • the second substrate 2 has a second junction
  • Y 27 is connected to another end of the third optical waveguide 13, respectively of the fourth optical waveguide 14 at the interface 20 between the first substrate 1 and the second substrate 2.
  • One end of the second waveguide U-shaped optic 22 is connected to the common branch of the second Y junction 27.
  • the first substrate 1 also has a second input-output waveguide 17.
  • electrodes 97 are arranged along the second input output waveguide 17.
  • the other end of the second U-shaped optical waveguide 22 is connected to one end of the second input output waveguide 17, at the interface 20 between the first substrate 1 and second substrate 2.
  • the other end 102 of the second input output waveguide 17 is connected to at least one source and one detector.
  • the first substrate 1 further comprises a fifth optical waveguide 15 and a sixth optical waveguide 16 each having one end connected to one of the ends 81, 82 respectively of the third reel of optical fiber 8. Electrodes 95, respectively 96, are arranged along the fifth optical waveguide 15 and respectively of the sixth optical waveguide 16.
  • the second substrate 2 comprises a third Y junction 28 and a third U-shaped optical waveguide 23. The end of the first, respectively second, secondary branch of the third Y junction 28 is connected to another end of the fifth optical waveguide
  • the third U-shaped optical waveguide 23 is connected to the common branch of the third junction Y 28.
  • the first substrate 1 also comprises a third input-output waveguide 18.
  • electrodes 98 are arranged along the third input-output waveguide 18.
  • the other end of the third U-shaped optical waveguide 23 is connected to one end of the third input-output waveguide 18, at the interface 20 between the first substrate 1 and the second substrate 2.
  • the other end of the third input waveguide output 18 is connected to at least one source and one detector.
  • optical waveguides 10, 11, 12, 13, 14, 15, are advantageousously, the optical waveguides 10, 11, 12, 13, 14, 15,
  • 16, 17 and 18 are rectilinear and arranged parallel to each other in the first substrate.
  • the first optical waveguide 21, the second optical waveguide 22 and the third second U-shaped optical waveguide 23 are arranged on the second substrate in a nested manner without crossing between these waveguides.
  • the first optical waveguide 21, the second optical waveguide 22 and / or the third second optical waveguide 23 may intersect, preferably at right angles, without interference between the guided beams.
  • the combination of a Y junction and a U-shaped waveguide provides effective filtering of the unguided asymmetric modes. This filtering allows the three coils to be combined on the same hybrid integrated circuit while avoiding disturbances by inter-channel coupling (or cross-talk in English) between the signals coming from the different optical fiber coils.
  • the interferometric system also includes a light source not shown, a detection system comprising a first detector connected to the end 101 of the first input-output waveguide 10, a second detector connected to the end 102 of the second input-output waveguide 17 and a third detector connected to the end 103 of the third input-output waveguide 18.
  • the interferometric system of FIG. 4 can be used for the manufacture of an inertial navigation unit, the axes of the three coils of optical fiber being arranged along the axes of a 3D coordinate system. In a variant, the axes of at least two coils are arranged in parallel so as to obtain redundant measurements with respect to this axis.
  • the interferometric system of FIG. 4 can be generalized for the manufacture of other sensors with N coils of optical fiber, where N is a natural whole number greater than or equal to two.
  • the first substrate 1 has a length L1 of 8 mm, a width W1 of 3 mm and a thickness of 1 mm
  • the second substrate 2 has a length L2 of 6 mm , a width W2 of 3 mm and a thickness of 1 mm
  • the use of a hybrid integrated optical circuit can greatly increase the compactness of an interferometric system with several coils of optical fibers, while reducing the total weight.
  • the use of a hybrid multi-coil integrated optical circuit eliminates certain mounting operations and allows automated manufacturing, thereby reducing the manufacturing cost.
  • FIG. 5 an interferometric fiber optic loop system and a hybrid integrated circuit according to a third embodiment has been shown.
  • the hybrid integrated circuit 200 here consists of a first substrate 1, for example made of lithium niobate, a second substrate 2 and a third substrate 3.
  • the second substrate 2 and the third substrate 3 are for example made of glass optical (borosilicate).
  • the second substrate 2 and / or the third substrate 3 is formed from a material chosen from silicon nitride or silicon on insulator (SOI) or else silica on silicon.
  • the third substrate 3 also generally has a geometric shape. In the plane of Figure 2, or XY plane, the third substrate 3 generally has a rectangular shape.
  • the third substrate 3 is preferably formed from a planar material having a thickness of between 0.5 mm and 3 mm, for example about 1 mm in the direction of the X axis.
  • the sides of the third substrate 3, taken in the thickness, are preferably inclined at an angle between 0 and 25 degrees, for example 8 degrees, relative in the XZ plane around the X or Z axis to avoid spurious reflections at the interface.
  • the angles of inclination of the third substrate 3 are adapted according to the laws of Snell-Descartes.
  • the first substrate 1 and the second substrate 2 are fixed to each other by an adjacent side, forming an interface 20, in a similar manner to the system illustrated in FIG. 3.
  • the third substrate 3 is fixed to the first substrate 1 by another side, opposite the first side, forming another interface 50.
  • the third substrate 3 comprises a first optical waveguide 31 and a second optical waveguide 32, for example rectilinear.
  • One end of the first optical waveguide 31 of the third substrate 3 is connected to one end of the first optical waveguide 11 at the interface 50 between the first substrate 1 and the third substrate 3.
  • the other end of the first guide waveguide 31 of the third substrate 3 is connected to a first end 61 of the optical fiber coil 6.
  • One end of the second optical waveguide 32 of the third substrate 3 is connected to one end of the second optical waveguide 12 at the interface 50 between the first substrate 1 and the third substrate 3.
  • the other end of the second optical waveguide 32 of the third substrate 3 is connected to the second end 62 of the optical fiber coil 6.
  • the ends of the optical waveguides 10, respectively 11 and 12 of the first substrate 1 are aligned, along the axes X and Z, with the ends of the optical waveguides 30, respectively 31 and 32 of the third substrate 3.
  • the ends of the optical waveguides 31, 32 intended to be connected to the ends of the optical fiber are adapted according to the dimensions of a single-mode beam on the one hand in the optical fiber 6 and, on the other hand part, in the optical waveguides of the first substrate 1.
  • the optical waveguides 31, 32 have a conical shape having, at one end, a diameter adapted to the core of the fiber (of the order of 5 to 10 microns in diameter for example) and at the other end, a diameter adapted to the waveguide formed by proton exchange on the first substrate (of the order of 3 to 8 microns in diameter for example).
  • the third substrate 3 comprises a Y 41 junction coupler with a guide planar optical wave.
  • the Y 41 coupler forms a source-detector separator.
  • the Y junction coupler 41 has a common branch 30, a secondary branch 314 and another secondary branch 315.
  • the common branch 30 is connected to the end of the optical input-output waveguide 10 at the interface 50 between the first substrate 1 and the third substrate 3.
  • a source 4 is fixed on one side of the third substrate. Alternatively, the source 4 is bonded above or below the third substrate 3 and combined with a 45-degree deflection mirror.
  • Source 4 is chosen from a light-emitting diode (LED), a superluminescent diode (SLED), a distributed feedback laser (or DFB for Distributed FeedBack laser) or an amplified spontaneous emission source (ASE) with rare earth fiber (erbium) in particular).
  • the source 4 can be fixed directly on the substrate 3 or connected by optical fiber to the end of the secondary branch 314.
  • the source 4 generates the source beam 100.
  • a detector 5 is fixed, for example, on another side of the third substrate. In a variant, the detector 5 is fixed on the same side as the source 4 and the optical fiber reel 6. In a variant, the detector 5 is fixed above or below the third substrate 3 and combined with a return mirror at 45 degrees.
  • the source-receiver separator 41 guides the interferometric beam 300 towards the photodetector 5.
  • the detector 5 is preferably a photodiode.
  • the first substrate 1 has a length L1 of 8 mm, a width W1 of 3 mm and a thickness of 1 mm
  • the second substrate 2 has a length L2 of 4 mm , a width W2 of 3 mm and a thickness of 1 mm
  • the third substrate 3 has a length L3 of 4 mm, a width W3 of 3 mm and a thickness of 1 mm.
  • the integration of the source and the detector on the hybrid integrated optical circuit makes it possible to further increase the compactness of the interferometric system.
  • the hybrid integrated circuit made up of 3 substrates fixed to each other can be automatically assembled in an active or passive way, thus reducing the manufacturing cost.
  • the fiber optic interferometric system according to the third embodiment can be generalized for a two, three or N fiber optic interferometric system, where N is a natural integer greater than or equal to 2.
  • FIG. 6 schematically represents an interferometric system with three coils of optical fiber and with a hybrid integrated circuit according to a variant of the third embodiment.
  • the same reference signs designate elements similar to those of FIG. 4 or 5, in particular with regard to the optical elements integrated on the first substrate 1 and on the second substrate 2.
  • the second substrate 2 thus comprises three junctions Y 26, 27 and 28 each connected to a U-shaped optical waveguide 21, 22 and 23 respectively.
  • the third substrate 3 comprises three pairs of optical waveguides 31 -32, respectively 33-34 and 35-36 connected to the ends of the first reel of optical fiber 6, respectively second reel of optical fiber 7 and third optical fiber coil 8.
  • a source 4 is fixed or integrated on the third substrate 3. In the example of FIG. 6, the source 4 is fixed on the side of the third substrate where the optical fiber coils are connected.
  • the third substrate 3 also includes a first source-detector separator coupler 41 with optical waveguide having a secondary branch connected to the source 4 , another secondary branch connected to the first detector 51 and a common branch connected to the end of the first optical input-output waveguide 10 at the interface 50 between the first substrate 1 and the third substrate 3.
  • the third substrate 3 also comprises a second source-detector separator coupler 42 with waveguide having a secondary branch connected to the source 4, another secondary branch connected to the second detector 52 and a common branch connected to the end of the second input-output optical waveguide 17 at the interface 50 between the first substrate 1 and the third substrate 3.
  • the third substrate 3 com also carries a third source-detector separator coupler 43 with waveguide having a secondary branch connected to the source 4, another secondary branch connected to the third detector 53 and a common branch connected to the end of the third optical waveguide input-output 18 at the interface 50 between the first substrate 1 and the third substrate 3.
  • the first, respectively second and third source-detector separator couplers 41, 42 and 43 respectively are preferably couplers 1 by 2 (noted 1 * 2) equally distributed in power, also called 50% -50% couplers.
  • the third substrate 3 also comprises two Y-junction couplers 46, 47 arranged in series to combine in a single branch connected to the source 4 the secondary branches of the first, second and third source-detector separator couplers 41, 42 and 43.
  • the Y-junction coupler 46 is preferably a 1 * 2 coupler equally distributed in power, or 50% -50% coupler.
  • the Y-junction coupler 47 is preferably a 1 by 2 coupler of the 33% -66% coupler type, so that the maximum signal power from each coil is of the same level.
  • two optical waveguides cross perpendicular to point 44 on the third integrated optical circuit.
  • crossing at 90 degrees induces no optical communication or disturbance between the two transverse waveguides.
  • the first lithium niobate substrate 1 has a length L1 of 8 mm, a width W1 of 3 mm and a thickness of 1 mm
  • the second substrate 2 of glass ( S1O2) has a length L2 of 6 mm, a width W2 of 3 mm and a thickness of 1.2 mm
  • the third substrate 3 has a length L3 of 6 mm, a width W3 of 3 mm and a thickness of 1.2 mm.
  • the integration of the source 4 and the three detectors 51, 52, 53 on the hybrid integrated optical circuit makes it possible to further increase the compactness and to reduce the weight of the interferometric system.
  • the hybrid integrated circuit made up of 3 substrates fixed to each other can be automatically assembled in an active or passive way, thus reducing the manufacturing cost.
  • FIG. 7 schematically represents an interferometric Sagnac system with online optical fiber according to another embodiment of the present disclosure.
  • the online fiber optic interferometric system of Figure 7 finds applications as an electric current sensor.
  • the same reference signs designate elements similar to those of FIGS. 1B and 3.
  • the system comprises a source 4, a detector 5, a source-detector separator 45 and a hybrid integrated optical circuit 200.
  • a similar hybrid integrated optical circuit 200 to that of figure 3 replaces the circuit integrated optics 39 of FIG. 1 B.
  • the hybrid integrated optical circuit 200 comprises a first substrate 1 made of lithium niobate and a second substrate 2 made of optical glass (for example borosilicate).
  • the first substrate 1 here also includes an input-output optical waveguide 10, a first waveguide 11 provided with electrodes 91 and a second waveguide 12 provided with electrodes 92.
  • the second substrate 2 comprises a U-shaped wave guide 21 connected to the common branch of a Y 26 waveguide junction.
  • the source-detector separator 45 is connected by an optical fiber 49 to the hybrid integrated optical circuit 200. More specifically, the optical fiber 49 is connected to one end of the input-output waveguide 10 on the first substrate 1.
  • the optical fiber 49 is a non-polarizing fiber.
  • the optical fiber 49 is polarizing and aligned with the polarizer constituted by the substrate 1 made of lithium niobate.
  • the hybrid integrated circuit 200 receives a source beam 100 on the single-mode input-output waveguide 10.
  • the input-output waveguide 10 linearly polarizes the source beam.
  • the U-shaped waveguide 21 is a single mode spatial filter which additionally filters the source beam to make it even more single mode spatial.
  • the second substrate 2 comprises a Y 26 waveguide junction.
  • the Y junction 26 receives the source beam guided at one end of the U-shaped waveguide 21 and separates it into a first linearly polarized secondary beam 121 propagating along a secondary branch 261 of the Y junction 26 and a second secondary beam linearly polarized 122 propagating along another secondary branch 262 of the Y junction 26.
  • the end of the secondary branch 261, respectively of the other secondary branch 262, is connected to one end of the first waveguide 11, respectively of the second waveguide 12, at the interface 20 between the first substrate 1 and the second substrate 2.
  • the first linearly polarized secondary beam 121 propagates in the first waveguide 11.
  • the second linearly polarized secondary beam 122 is propagates in the second waveguide 12.
  • Electrodes 91 and 92 respectively, are arranged along the first waveguide 11 and the second waveguide 12 respectively.
  • the end of the first optical waveguide 11 is connected to a section of optical fiber 111.
  • the section of optical fiber 111 is maintained polarization.
  • two sections of polarization-maintaining optical fiber 111 are welded end to end with a 90-degree weld between the polarization axes of the two sections of optical fiber, so as to rotate the polarization axis of 90 degrees.
  • the optical fiber sections 111 and 112 are arranged differently on the substrate 1 during bonding, one being aligned on the fast axis and the other on the slow axis of the axes of the PM fiber.
  • the first linearly polarized light beam 121 propagates in the optical fiber section 111 which is twisted to rotate its axis of polarization by 90 degrees and which therefore transforms it into another linearly polarized light beam 123, but 90 degrees from beam 121.
  • the end of the second optical waveguide 12 is connected to another section of polarization-maintaining optical fiber 112.
  • the ends of the optical fiber sections 111 and 112 are arranged in a V-shaped support 80 (or V-groove in English).
  • the second linearly polarized beam 122 propagates in the other optical fiber section 112 while maintaining its polarization direction. So the second linearly polarized beam 122 is oriented 90 degrees from the other linearly polarized beam 123.
  • the polarization splitter-combiner 70 combines the second linearly polarized beam 122 and the other linearly polarized light beam 123 and injects them into the linear polarization maintaining fiber section 67.
  • the right circular 133 and left circular 132 polarized beams respectively propagate in the forward direction of the optical fiber coil 66 and are then reflected on the mirror 77, where the polarizations of the beams are reversed. Then, the right circular polarized 142 and left circular polarized beams 143 respectively propagate in the opposite direction of the optical fiber coil 66 and are transformed by the quarter-wave plate 68 into two linearly polarized beams of transverse polarizations.
  • the polarization splitter-combiner 70 separates the two transverse linear polarization states and directs one towards the first optical waveguide 11 and the other towards the second optical waveguide 12.
  • the Y junction 26 combines the two bundles each having traversed the coil with the two crossed circular polarizations and forms an interference beam 300, which propagates in the U-shaped waveguide 21, the input-output waveguide 10, then the optical fiber 49 towards the detector 5.
  • All the ends of optical fiber are arranged on the same side of the hybrid integrated circuit 200.
  • these ends of optical fiber are arranged in a support 80 in V (or V-groove) fixed on one side of the hybrid integrated circuit.
  • the support 80 in V is compact and improves the positioning of the optical fibers relative to the optical waveguides of the hybrid integrated circuit 200.
  • the present disclosure also proposes an interferometric measurement method, for loop or online optical fiber interferometer, comprising the following steps:
  • the method makes it possible to combine several functions: single-mode and polarization filtering, separation and recombination of the light beam, phase modulation by means of a single plane hybrid integrated circuit, of small size, low weight and reduced manufacturing cost.

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Abstract

L'invention concerne un interféromètre de Sagnac à fibre optique en boucle ou en ligne. Selon l'invention, l'interféromètre comporte un circuit optique intégré hybride (200) comprenant au moins un premier substrat (1) électro-optique et un deuxième substrat (2) transparent ayant une interface (20) commune, le premier substrat (1) comprenant un premier guide d'onde optique (11), un deuxième guide d'onde optique (12), le premier guide d'onde optique (11) et le deuxième guide d'onde optique (12) étant reliés à au moins une extrémité (61) de la bobine de fibre optique (6), un guide d'onde optique d'entrée-sortie (10) relié à une source lumineuse (4) et à un système de détection (5), le deuxième substrat (2) comprenant au moins un guide d'onde optique (21) en forme de U et le circuit optique intégré hybride (200) comprenant une jonction Y (26) à guide d'onde planaire ayant une branche commune (160) et deux branches secondaires(161, 62).

Description

Interféromètre de Saqnac à fibre optique compact
DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION
La présente invention concerne de manière générale le domaine des systèmes interférométriques.
Elle concerne plus particulièrement un système interférométrique de Sagnac à fibre optique en boucle, ou bien en ligne. Un tel système interférométrique trouve notamment des applications dans les gyroscopes à fibre optique (ou FOG pour fiber-optic gyroscope) ou encore dans les capteurs de courant électrique (ou FOCS pour fiber-optic current sensor).
Elle concerne en particulier un système et procédé interférométrique à fibre optique de grande précision, compact, léger et de moindre coût de fabrication.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
La figure 1A représente schématiquement un système interférométrique de Sagnac à fibre optique en boucle de l’art antérieur. Ce système interférométrique à fibre optique comporte généralement une source de lumière 4 émettant un faisceau source 100, une bobine de fibre optique 6, un photodétecteur 5, et deux séparateurs optiques de faisceaux : un séparateur de bobine 19 et un séparateur source-récepteur 45, dit séparateur de récepteur. Le séparateur de bobine 19 sépare spatialement le faisceau source 100 en un premier faisceau divisé 150 et un deuxième faisceau divisé 250 qui se propagent dans des directions opposées dans la bobine de fibre optique 6. En sortie de la bobine, le séparateur de bobine 19 recombine ces deux faisceaux pour former un faisceau interférométrique 300. Le séparateur source-récepteur 45 guide le faisceau interférométrique 300 vers le photodétecteur 5.
Lorsque le système interférométrique est au repos, les deux faisceaux divisés émergent de la bobine de fibre optique en phase, du fait de la réciprocité des trajets optiques dans la bobine de fibre optique.
Toutefois, en présence de phénomènes physiques susceptibles de produire des effets non-réciproques sur le trajet optique des deux faisceaux contra-propagatifs dans la bobine de fibre optique 6, une différence de phase apparaît dans le faisceau interférométrique détecté.
Parmi les principaux phénomènes physiques induisant des effets non- réciproques, la rotation du système interférométrique autour de l’axe de la bobine de fibre optique induit une différence de phase proportionnelle à la vitesse de rotation. De cette propriété, appelée effet Sagnac, découle la principale application d’un interféromètre en boucle de Sagnac à un gyroscope pour mesurer une vitesse de rotation autour de l’axe de la bobine de fibre optique.
De façon avantageuse, comme illustré sur la figure 1A, un système interférométrique de Sagnac à fibre optique comporte un circuit optique intégré multifonction 39 (noté MIOC pour Multifunction Integrated Optical Circuit en terminologie anglo-saxonne). Le circuit optique intégré 39 comprend des guides d’onde optiques formés de préférence par échange protonique (ou APE pour Annealed Proton Exchange) sur un substrat plan électro-optique, par exemple de niobate de lithium. L’échange protonique sur niobate de lithium conduit à la formation de guides mono-polarisation et le guide d’onde d’entrée 29 forme donc un polariseur à guide d’onde monomode qui ne guide qu’une seule polarisation linéaire. Le circuit optique intégré 39 comprend aussi un séparateur de bobine 19 de type à jonction Y formé par division du guide d’onde 29 en deux branches secondaires monomodes. De façon avantageuse, le circuit optique intégré 39 comprend aussi des électrodes 9 reliées à un générateur électrique pour former un modulateur électro-optique adapté pour moduler le déphasage des deux faisceaux contra-propagatifs. Le substrat plan du circuit optique intégré multifonction 39 peut aisément être relié sur un côté aux deux extrémités de la bobine de fibre optique 6 et sur un côté opposé par une section de fibre optique 49 au séparateur source-récepteur 45.
Un gyroscope à fibre optique multiaxe comporte plusieurs bobines de fibre optique combinées avec un ou plusieurs circuits optiques intégrés multifonctions, une même source ou plusieurs sources et un ou plusieurs détecteurs.
Les gyroscopes à fibre optique sont de plus en plus utilisés pour la mesure de rotation dans les systèmes de navigation inertielle ou de guidage, du fait de leurs performances en sensibilité, linéarité et stabilité.
Un gyroscope à fibre optique utilisant une ou plusieurs bobines de fibre optique offre des avantages de compacité dû à l’utilisation de fibres optiques.
D’autres phénomènes physiques, tels que l’effet Faraday magnéto- optique, sont aussi susceptibles d’induire des différences de phase non- réciproques, et peuvent être mesurés au moyen d’un interféromètre de Sagnac à fibre optique en boucle, ou bien en ligne et sont utilisés par exemple dans des capteurs de courant électrique (J. Blake, P. Tantaswadi, R.T. de Carvalho, « In- line Sagnac interferometer current sensor », IEEE Transactions on power delivery, vol. 11 , no. 1 , 1996).
A titre d’exemple, la figure 1 B représente schématiquement un système interférométrique de Sagnac à fibre optique en ligne de l’art antérieur. Les mêmes signes de référence désignent des éléments analogues à ceux de la figure 1A. La bobine de fibre optique 66 est ici formée à partir d’une fibre à conservation de polarisation circulaire, réalisée par exemple en technologie dite de fibre à structure de contrainte en hélice (ou « spun fibre » en anglais). La bobine de fibre optique 66 est enroulée autour d’un axe où se situe un conducteur de courant électrique, noté I. Une première extrémité 661 de la bobine de fibre optique 66 est reliée ou fixée à une lame quart d’onde 68. La deuxième extrémité 662 de la bobine de fibre optique 66 est fixée à un miroir 77. Un séparateur-combineur de polarisation 70 reçoit deux faisceaux polarisés linéairement 122, 123 suivant des polarisations orthogonales et les injecte dans une section de fibre à maintien de polarisation linéaire 67. La lame quart d’onde 68 transforme ces deux faisceaux polarisés linéairement 122, 123 en un premier faisceau polarisé circulaire droit 133 et un deuxième faisceau polarisé circulaire gauche 132. Le premier faisceau polarisé circulaire droit 133 et le deuxième faisceau polarisé circulaire gauche 132 se propagent dans la bobine de fibre optique 66 jusqu’au miroir 77 où ils sont réfléchis en échangeant leur polarisation et forment respectivement un premier faisceau polarisé circulaire gauche 143 et un deuxième faisceau polarisé circulaire droit 142. Le premier faisceau polarisé circulaire gauche 143 et le deuxième faisceau polarisé circulaire droit 142 parcourent la bobine de fibre optique 66 en sens inverse. Ainsi, chaque faisceau lumineux parcourt successivement la bobine de fibre optique 66 suivant les deux états inverses de polarisation circulaire. La lame quart d’onde 68 transforme le premier faisceau polarisé circulaire gauche 143 et le deuxième faisceau polarisé circulaire droit 142 en deux faisceaux polarisés linéairement de polarisations transverses. Par effet Faraday magnéto- optique, le courant électrique I aligné sur l’axe de la bobine induit une différence de phase entre les faisceaux polarisés circulairement se propageant dans la bobine de fibre optique 66. De manière générale, il est souhaitable d’accroître la compacité et/ou de réduire le poids et le coût de fabrication des systèmes interférométriques de Sagnac à fibre optique en boucle ou en ligne tout en conservant leurs performances techniques de sensibilité, stabilité et facteur d’échelle.
OBJET DE L’INVENTION
Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose un interféromètre de Sagnac à fibre optique en boucle ou en ligne comprenant une source lumineuse, un système de détection et au moins une bobine de fibre optique.
Plus particulièrement, on propose selon l’invention un interféromètre de Sagnac à fibre optique comportant un circuit optique intégré hybride comprenant au moins un premier substrat plan en matériau électro-optique et un deuxième substrat plan en matériau transparent à la longueur d’onde de la source, le premier substrat et le deuxième substrat ayant une interface commune entre deux côtés adjacents, le premier substrat comprenant un guide d’onde optique d’entrée- sortie relié à la source lumineuse et au système de détection, une paire d’autres guides d’onde optiques comprenant un premier guide d’onde optique et un deuxième guide d’onde optique, le premier guide d’onde optique et le deuxième guide d’onde optique étant reliés à au moins une extrémité de la bobine de fibre optique, un système de modulation électro-optique comprenant au moins une électrode disposée le long du premier guide d’onde optique et/ou du deuxième guide d’onde optique, le deuxième substrat comprenant au moins un guide d’onde optique en forme de U, le circuit optique intégré hybride comprenant une jonction
Y à guide d’onde planaire ayant une branche commune et deux branches secondaires, le premier substrat et le deuxième substrat étant disposés de manière à ce qu’une extrémité du guide d’onde optique en forme de U soit alignée avec une extrémité du guide d’onde optique d’entrée-sortie, et que l’autre extrémité du guide d’onde optique en forme de U soit alignée avec la branche commune de la jonction Y, chacune des deux branches secondaires de la jonction
Y étant alignée avec une extrémité d’un guide d’onde optique de la paire d’autres guides d’onde optiques.
D’autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de l’interféromètre de Sagnac à fibre optique conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- la jonction Y est formée sur le premier substrat ;
- la jonction Y est formée sur le deuxième substrat ;
- le guide d’onde optique en forme de U présente une différence d’indice de réfraction avec le deuxième substrat d’au moins 0,05, et de préférence comprise entre 0,1 et 0,2 ;
- le guide d’onde optique en forme de U présente un rayon de courbure inférieur ou égal à 1 mm, et de préférence inférieur ou égal à 0,5 mm.
Dans un mode de réalisation particulier, la bobine de fibre optique est à conservation de polarisation circulaire, la première extrémité de la bobine de fibre optique étant reliée à une branche commune d’un coupleur séparateur de polarisation via une lame quart d’onde, la deuxième extrémité de la bobine de fibre optique étant reliée à un miroir, la jonction Y du circuit intégré hybride formant un séparateur de faisceau dans le plan du substrat, le premier guide d’onde optique étant relié à une première branche secondaire du séparateur-combineur de polarisation et le deuxième guide d’onde optique étant relié à une deuxième branche secondaire du séparateur-combineur de polarisation.
Dans un autre mode de réalisation particulier, le premier guide d’onde optique est relié à une première extrémité de la bobine de fibre optique et le deuxième guide d’onde optique est relié à une deuxième extrémité de la bobine de fibre optique.
Selon un mode de réalisation particulier et avantageux, l’interféromètre comporte N bobines de fibre optique, où N est un nombre entier naturel supérieur ou égal à deux, le premier substrat comprenant N guides d’onde optique d’entrée- sortie, N paires d’autres guides d’onde optiques, chaque guide d’onde desdites N paires d’autres guides d’onde optiques étant relié à une extrémité d’une des N bobines de fibre optique, le système de modulation électro-optique comprenant au moins N électrodes, chacune des au moins N électrodes étant disposée le long d’un guide d’onde desdites N paires d’autres guides d’onde optiques, le deuxième substrat comprenant N guides d’onde optiques en forme de U, le circuit optique intégré hybride comprenant N jonctions Y à guide d’onde planaire, chaque jonction Y desdites N jonctions Y ayant une branche commune et deux branches secondaires, le premier substrat et le deuxième substrat étant disposés de manière à ce qu’une extrémité de chaque guide d’onde optique en forme de U soit alignée avec une extrémité d’un des N guides d’onde optique d’entrée-sortie, l’autre extrémité de chaque guide d’onde optique en forme de U soit alignée avec la branche commune d’une des N jonctions Y, chacune des deux branches secondaires des N jonctions Y étant alignée avec une extrémité d’un guide d’onde desdites N paires d’autres guides d’onde optique.
D’autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de l’interféromètre de Sagnac à fibre optique conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- le système de détection comporte au moins un premier détecteur ;
- le circuit optique intégré hybride comporte en outre un troisième substrat plan en matériau transparent, le troisième substrat et le premier substrat ayant une autre interface commune entre deux côtés adjacents, le troisième substrat comprenant une pluralité de guides d’onde optiques, chaque extrémité de guide d’onde optique du premier substrat sur l’autre interface étant relié à une extrémité de guide d’onde optique du troisième substrat ;
- le troisième substrat intègre la source lumineuse et au moins un détecteur ;
- le système de détection comporte N détecteurs ;
- l’interféromètre comporte N sources lumineuses ;
- le premier substrat est formé dans un matériau choisi parmi le niobate de lithium, le phosphure d’indium, l’arséniure de gallium et l’arséniure d'aluminium et de gallium ;
- le deuxième substrat est formé dans un matériau choisi parmi un verre optique, un nitrure de silicium, un silicium sur isolant et de la silice sur silicium.
DESCRIPTION DETAILLEE D’UN EXEMPLE DE RÉALISATION
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
- la figure 1A représente schématiquement un système interférométrique de Sagnac à fibre optique en boucle selon l’art antérieur ;
- la figure 1 B représente schématiquement un système interférométrique de Sagnac à fibre optique en ligne selon l’art antérieur ;
- la figure 2 représente schématiquement un système interférométrique de Sagnac à fibre optique en boucle et à circuit optique intégré hybride selon un premier mode de réalisation ;
- la figure 3 représente schématiquement un système interférométrique de Sagnac à fibre optique en boucle et à circuit optique intégré hybride selon un deuxième mode de réalisation ;
- la figure 4 représente schématiquement un système interférométrique de Sagnac à trois bobines de fibre optique en boucle et à circuit optique intégré hybride selon une variante du deuxième mode de réalisation ;
- la figure 5 représente schématiquement un système interférométrique de Sagnac à fibre optique en boucle et à circuit optique intégré hybride selon un troisième mode de réalisation ;
- la figure 6 représente schématiquement un système interférométrique de Sagnac à trois bobines de fibre optique en boucle et à circuit optique intégré hybride selon une variante du troisième mode de réalisation ;
- la figure 7 représente schématiquement un système interférométrique de Sagnac à fibre optique en ligne selon un mode de réalisation particulier.
On considère un système interférométrique de Sagnac à fibre optique comportant un circuit optique intégré en niobate de lithium formé par échange protonique (ou APE pour annealed proton exchange), tel qu’illustré par exemple en Figure 1A. Le circuit optique intégré 39 en niobate de lithium permet de rassembler plusieurs composants optiques et électro-optiques réalisant ainsi plusieurs fonctions. Le guide d’onde 29 d’entrée-sortie formé par échange protonique permet de polariser linéairement le faisceau source 100. De plus, ce guide d’onde 29 d’entrée-sortie sert aussi de filtre monomode spatial. Dans le sens aller, la jonction Y 19 permet de séparer optiquement le faisceau source 100 en deux faisceaux incidents divisés 150, 250. Dans le sens retour, la jonction Y 19 permet de recombiner les deux faisceaux divisés ayant parcouru chacun la bobine en sens opposés pour former le faisceau interférentiel. Les électrodes 9 disposées le long des deux branches secondaires de la jonction Y sont reliées à un générateur électrique et permettent de moduler électro-optiquement la phase entre des faisceaux incidents divisés 150, 250. Dispositif
La présente divulgation propose un interféromètre à fibre optique utilisant un circuit optique intégré hybride. Le circuit optique intégré hybride combine un premier substrat 1 plan électro-optique, par exemple en niobate de lithium, et au moins un deuxième substrat 2 plan transparent, par exemple en verre optique (par exemple type borosilicate).
En variante, le premier substrat 1 est formé dans un matériau électro- optique choisi parmi le phosphure d’indium (InP), l’arséniure de gallium (AsGa) et l’arséniure d'aluminium et de gallium (AIGaAs). Ces matériaux sont semi- conducteurs et permettent de faire de la modulation de phase.
En variante, le deuxième substrat 2 est formé dans un matériau transparent à la longueur d’onde utilisée (par exemple supérieure à 0,5 micromètre), choisi parmi du nitrure de silicium, du silicium sur isolant (SOI) ou la silice sur silicium.
Plus particulièrement, le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2 sont disposés bout à bout et en contact direct par un de leur côté, aussi appelé épaisseur des substrats. De façon avantageuse, on utilise des moyens de fixation entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2. Les moyens de fixation comprennent par exemple une colle et/ou un support mécanique ou tout autre moyen de fixation adapté.
Le premier substrat 1 comporte plusieurs composants optiques intégrés et/ou guides d’onde optiques. Le deuxième substrat 2 comporte au moins un guide d’onde optique en forme de U pour former un circuit optique planaire de type PLC (ou en anglais, « planar lightwave circuit »).
Sur la figure 2, on a représenté un système interférométrique de Sagnac à fibre optique en boucle et à circuit intégré hybride selon un premier mode de réalisation. Le système interférométrique comporte une source lumineuse 4, un système de détection 5, une bobine de fibre optique 6 et un circuit intégré hybride 200.
Le circuit intégré hybride 200 est ici constitué d’un premier substrat 1 , par exemple en niobate de lithium et d’un deuxième substrat 2, par exemple en verre optique (borosilicate). Le système interférométrique comporte ici une seule bobine de fibre optique 6.
Le premier substrat 1 a généralement une forme géométrique. Dans le plan de la figure 2, ou plan YZ dans un repère orthonormé (XYZ), le premier substrat 1 a par exemple une forme rectangulaire. Ici, les axes X, Y et Z coïncident avec les axes cristallographiques du premier substrat 1 en niobate de lithium : l’axe de propagation de la lumière (dans la longueur du substrat 1 ) est l’axe Y cristallographique, l’épaisseur est l’axe X cristallographique et la largeur est l’axe Z cristallographique. Le premier substrat 1 est de préférence formé dans un matériau planaire ayant une épaisseur comprise entre 0,35 mm et 2 mm, par exemple de 0,5 mm ou de 1 mm dans la direction de l’axe X. De manière connue, les côtés du premier substrat 1 , pris dans l’épaisseur, sont de préférence inclinés d’un angle par rapport au plan XZ autour de l’axe X ou de l’axe Z pour éviter les rétro-réflexions parasites aux interfaces. Les angles d’inclinaison aux interfaces sont adaptés en fonction des lois de Snell-Descartes.
Le premier substrat 1 comporte un premier guide d’onde optique 11 , un deuxième guide d’onde optique 12 et un guide d’onde optique d’entrée-sortie 10. Les guides d’onde optique 10, 11 , 12 sont formés de préférence par échange protonique sur un substrat de niobate de lithium. De façon avantageuse, au moins une portion des guides d’ondes optiques 10, 11 , 12 est disposée parallèlement dans le sens de la longueur L1 du substrat 1. Deux électrodes 91 sont déposées de part et d’autre le long du premier guide d’onde optique 11. Deux électrodes 92 sont déposées de part et d’autre le long du deuxième guide d’onde optique 12. Dans ce premier mode de réalisation, le premier substrat 1 comporte une jonction 166 de type jonction Y à guide d’onde planaire ayant une branche commune 160, une branche secondaire 161 et une autre branche secondaire 162. Une extrémité du premier guide d’onde optique 11 située sur un côté du substrat 1 est reliée directement à une première extrémité 61 de la bobine de fibre optique 6. Une extrémité du deuxième guide d’onde optique 12 située sur le même côté du substrat 1 est reliée directement à la deuxième extrémité 62 de la bobine de fibre optique 6. L’autre extrémité du premier guide d’onde optique 11 est reliée directement à la branche secondaire 161 de la jonction Y. L’autre extrémité du deuxième guide d’onde optique 12 est reliée directement à l’autre branche secondaire 162 de la jonction Y. De préférence, dans le substrat 1 de niobate de lithium formé par APE, chaque branche de la jonction Y présente un rayon de courbure supérieur à au moins 10 mm. En effet, dans un substrat en niobate de lithium la différence d’indice de réfraction Dh entre un guide d’onde optique et le substrat est de l’ordre de 0,005 à 0,01. Cette faible différence d’indice ne permet pas une bonne résistance aux pertes par courbure du guide d’onde optique. De plus, un guide d’onde optique formé par échange protonique sur substrat de niobate de lithium en APE ne guide qu’une polarisation alignée dans la direction de l’axe cristallographique Z.
Le guide d’onde optique d’entrée-sortie 10 est monomode et forme un polariseur à guide d’onde qui ne guide qu’une seule polarisation. De façon avantageuse, deux électrodes 9 sont déposées de part et d’autre le long du guide d’onde optique d’entrée-sortie 10. Une extrémité du guide d’onde optique d’entrée- sortie 10 est reliée à une extrémité 101 d’une fibre optique d’entrée-sortie 49. L’autre extrémité de la fibre optique d’entrée-sortie 49 est reliée à un séparateur source-récepteur 45. Ainsi l’extrémité 101 de la fibre optique d’entrée-sortie 49 est située sur le même côté du substrat 1 que les deux extrémités 61 , 62 de la bobine de fibre optique 6. Les extrémités de la bobine de fibre optique 6 et l’extrémité 101 de la fibre d’entrée-sortie sont par exemple disposées dans un support en V (ou V- groove).
Le deuxième substrat 2 a aussi généralement une forme géométrique. Dans le plan de la figure 2, ou plan YZ, le deuxième substrat 2 a généralement une forme de rectangle. Le deuxième substrat 2 est de préférence formé dans un matériau plan ayant une épaisseur comprise 0,5mm et 3mm, par exemple d’environ 1 mm dans la direction de l’axe X. De manière analogue au substrat 1 , les côtés du deuxième substrat 2, pris dans l’épaisseur, sont de préférence inclinés d’un angle compris entre 0 et 25 degrés par rapport au plan XZ autour de l’axe Z ou de l’axe X pour éviter les réflexions parasites à l’interface avec le premier substrat 1. Les angles d’inclinaison du substrat 1 et du substrat 2 à cette interface 20, sont adaptés en fonction des lois de Snell-Descartes.
Un côté dans l’épaisseur du deuxième substrat 2 est fixé sur un côté dans l’épaisseur du premier substrat 1 opposé au côté où sont fixées les extrémités de fibre optique. Le deuxième substrat 2 comporte un guide d’onde optique 21 en forme de U. Une extrémité du guide d’onde optique 21 en forme de U est alignée suivant les axes X et Z avec une extrémité du guide d’onde optique d’entrée-sortie 10 à l’interface 20 entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2. L’autre extrémité du guide d’onde optique 21 en forme de U est alignée suivant les axes X et Z avec une extrémité de la branche commune 160 de la jonction Y 166 sur la même interface 20. Le guide d’onde optique 21 en forme de U est par exemple formé par échange d’ion argent dans un verre borosilicate dopé sodium (Na) puis par diffusion sous effet thermique ou par effet électrique.
Les guides d’onde optiques 10, 11 , 12 formés par échange protonique dans le premier substrat ont généralement une section elliptique. L’indice de réfraction du substrat de niobate de lithium est d’environ 2,14 suivant l’axe extraordinaire Z, et d’environ 2,21 suivants les axes ordinaires X ou Y à la longueur d’onde de 1550 nm. La demi-largeur de mode, équivalent au rayon d’un faisceau gaussien à 1/e2 en intensité dans la direction parallèle au plan de la surface du premier substrat est de l’ordre de 4 micromètres. La demi-largeur de mode équivalent au rayon d’un faisceau Gaussien à 1/e2 en intensité dans la direction transverse au plan de la surface du premier substrat est de l’ordre de 2,5 micromètres. Dans le deuxième substrat, le guide d’onde en forme de U a une section adaptée en fonction de la forme et des dimensions des guides d’onde du premier substrat. Le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2 sont disposés de manière à aligner les extrémités du guide d’onde en forme de U avec les extrémités des guides d’onde du premier substrat 1 à l’interface 20.
Les côtés du premier substrat 1 et du deuxième substrat 2 qui sont adjacents sont transverses aux extrémités du guide d’onde optique 21 en forme de U, à l’extrémité du guide d’onde optique d’entrée-sortie 10 et à l’extrémité du guide d’onde formant la branche commune 160 de la jonction Y. De façon particulièrement avantageuse, les côtés adjacents, jointifs du premier substrat 1 et du deuxième substrat 2 sont inclinés d’un angle compris entre 0 et 25 degrés, par exemple de 8 degrés par rapport au plan XZ autour de l’axe X et/ou Z, de manière à limiter les rétro-réflexions parasites à l’interface 20 entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2. Par exemple, le premier et/ou le deuxième substrat sont taillés en forme de parallélogramme. Dans un autre exemple, les arêtes du premier et/ou du deuxième substrat sont taillées en forme de parallélépipède trapézoïdal isocèle. De façon avantageuse, les deux côtés opposés dans la largeur du premier substrat 1 sont inclinés par rapport au plan XZ autour de l’axe X et/ou Z de manière à éviter les rétro-réflexions parasites dans le premier substrat 1.
Dans le deuxième substrat 2 en verre, le guide d’onde optique 21 en forme de U peut présenter un rayon de courbure inférieur à 1 mm et de préférence inférieur à 0,5 mm, tout en conservant les propriétés de guidage optique, du fait de la différence d’indice de réfraction de l’ordre de 0,02 à 0,1 entre le cœur du guide d’onde 21 et le substrat 2, pour un guide d’onde ayant un diamètre compris entre 2 et 4 micromètres (pm). Comme pour le premier substrat 1 , les deux côtés opposés dans la largeur du deuxième substrat 2 sont inclinés par rapport au plan XZ autour de l’axe X ou Z de manière à éviter les rétro-réflexions parasites dans le deuxième substrat 2.
On observe que toutes les extrémités de fibre optique 101 , 61 , 62 sont disposées sur un même côté du circuit optique intégré hybride 200. Cette disposition permet de limiter l’encombrement total du composant avec ses fibres optiques de connexion. Cette disposition permet d’augmenter le rayon de courbure des extrémités de la bobine de fibre optique 6 et/ou de la fibre optique d’entrée-sortie 49. Avantageusement, les fibres optiques sont disposées de manière à avoir un rayon de courbure d’au moins 5 mm, pour éviter les pertes par courbure.
De plus, le deuxième substrat permet de replier le chemin optique dans le substrat de niobate de lithium et de limiter la longueur du circuit optique intégré hybride 200. Dans un exemple, le premier substrat 1 présente une longueur L1 de 16 mm, une largeur W1 de 3 mm et une épaisseur de 1 mm, le deuxième substrat 2 présente une longueur L2 de 3 mm, une largeur W2 de 3 mm et une épaisseur de 1 mm. Au total, le circuit optique intégré hybride a une longueur de 16+3 = 19mm, une largeur de 3 mm et une épaisseur d’environ 1 mm. Par comparaison, un circuit optique intégré (comme illustré en fig. 1A) formé uniquement sur un substrat 1 en niobate de lithium intégrant en série un guide d’onde d’entrée-sortie, une jonction Y et deux guides d’onde optiques 11 , 12 parallèles a une longueur totale comprise entre 24 mm et 40 mm pour une largeur de 3 mm et une épaisseur de 1 mm.
Le circuit optique intégré hybride 200 permet d’intégrer plusieurs composants optiques sur un substrat composite de largeur réduite. Dans un exemple de réalisation, le circuit optique intégré hybride 200 permet de réduire la longueur du circuit optique intégré seul et l’encombrement du circuit optique intégré relié aux fibres optiques environ d’un facteur 2. Le circuit optique intégré hybride de la figure 2 permet ainsi d’augmenter la compacité du système interférométrique à fibre optique. De plus, l’utilisation d’un circuit optique intégré hybride permet aussi de réduire le poids du système interférométrique à fibre optique. Dans un autre exemple de réalisation, le circuit optique intégré hybride 200 permet d’augmenter la longueur du substrat de niobate de lithium, ce qui permet d’allonger les guides d’ondes optiques 11 , 12 et les électrodes 91 , 92 et ainsi de baisser la tension de modulation appliquée pour une même profondeur de modulation. Enfin, l’utilisation d’un circuit optique intégré hybride permet de supprimer certaines opérations de montage et autorise une fabrication automatisée, réduisant ainsi le coût de fabrication.
Le circuit optique intégré hybride illustré en figure 2 permet de combiner un guide d’onde monomode en forme de jonction Y 166 et un guide d’onde optique 21 monomode en forme de U, une extrémité du guide d’onde optique 21 monomode en forme de U étant reliée à la branche commune 160 du guide d’onde monomode en forme de jonction Y.
Dans le sens aller, le faisceau source 100 est guidé dans le guide d’onde optique d’entrée-sortie 10 puis dans le guide d’onde optique 21 en forme de U. Le faisceau source est ensuite transmis et guidé sur la branche commune 160 du guide d’onde monomode en forme de jonction Y 166. La jonction Y 166 sépare le faisceau source en un premier faisceau divisé 150 et un deuxième faisceau divisé 250. Le premier faisceau divisé 150 se propage de manière guidée dans la branche secondaire 161 de la jonction Y puis dans le premier guide d’onde optique 11 vers la première extrémité 61 de la bobine de fibre optique. De manière similaire, le deuxième faisceau divisé 250 se propage de manière guidée dans l’autre branche secondaire 162 de la jonction Y puis dans le deuxième guide d’onde optique 12 vers la deuxième 62 de la bobine de fibre optique. Le premier faisceau divisé 150 parcourt la bobine dans un sens et en sort via la deuxième extrémité 62 et est guidée dans le deuxième guide d’onde optique 12. De manière réciproque, le deuxième faisceau divisé 250 parcourt la bobine en sens opposé et en sort via la première extrémité 61 et est guidée dans le premier guide d’onde optique 11.
Dans le sens retour, chaque branche secondaire 161 , 162 du guide d’onde monomode en forme de jonction Y guide un faisceau ayant parcouru la bobine de fibre optique en sens mutuellement opposés. La jonction Y 166 recombine ces deux faisceaux pour former un faisceau interférentiel. Une partie du faisceau interférentiel est guidée par la branche 160 commune de la jonction Y. Toutefois, le guide d’onde étant monomode, un seul mode est guidé sur la branche commune 160 de la jonction Y. Par conservation d’énergie, toute la puissance p du faisceau interférentiel est répartie entre un faisceau guidé et un faisceau non guidé. Il est connu qu’un mode antisymétrique se propage de manière non guidée dans le substrat (Arditty et al., « Reciprocity properties of a branching waveguide », Fiber-Optic Rotation Sensors, Springer sériés in optical sciences, Vol. 32, 1982, pp. 102-110). Une partie de ce mode antisymétrique non guidé se propage dans le premier substrat 1 et est réfractée à l’interface 20 entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2 puis se propage de manière non guidée dans le deuxième substrat 2. Au contraire, la partie guidée du faisceau interférentiel 300 se propage dans le guide d’onde optique 21 en forme de U puis dans le guide d’onde optique d’entrée-sortie 10. Dans le sens retour, le guide d’onde optique 21 forme un filtre spatial et le guide d’onde optique d’entrée-sortie 10 un filtre en polarisation, autrement dit un polariseur. La combinaison de la jonction Y et du guide d’onde en forme de U permet d’éviter de collecter le mode antisymétrique non guidé du faisceau interférentiel dans le guide d’onde d’entrée- sortie 10 et/ou dans la fibre optique d’entrée-sortie 49.
Dans le circuit optique intégré hybride de la figure 2, le faisceau source 100 et le faisceau interférentiel guidé 300 effectuent chacun un passage dans le guide d’onde optique d’entrée-sortie 10. Or le guide d’onde optique d’entrée-sortie 10 est polarisant. De plus, les guides d’onde optiques 11 et 12 sont aussi polarisants. Le faisceau lumineux passe deux fois dans le guide d’onde optique d’entrée-sortie 10 polariseur, une fois dans le guide d’onde optique 11 et une fois dans le guide d’onde optique 12, pour chaque faisceau contra-propagatif. Ainsi, chaque faisceau effectue quatre passages dans un polariseur à guide d’onde. Ce quadruple passage dans les guides d’onde optique polarisant 10, 11 , 12 en niobate de lithium équivaut à un quadruple filtrage en polarisation et permet donc d’augmenter le taux d’extinction en polarisation. Ce quadruple passage dans un guide d’onde polarisant peut permettre d’éviter de placer un polariseur supplémentaire en série avec le polariseur à guide d’onde 10 et ainsi d’économiser le coût d’un polariseur supplémentaire.
En option, l’utilisation d’électrodes 9 sur le guide d’onde optique d’entrée- sortie 10 permet de moduler le faisceau source par exemple pour brouiller la cohérence de la source. Sur la figure 3, on a représenté un système interférométrique à fibre optique en boucle et à circuit intégré hybride selon un deuxième mode de réalisation.
Les mêmes signes de référence désignent des éléments analogues à ceux de la figure 2.
Le circuit intégré hybride est aussi constitué d’un premier substrat 1 , par exemple en niobate de lithium et d’un deuxième substrat 2, par exemple en verre optique (par exemple de type borosilicate). A la différence du premier mode de réalisation, la jonction Y est formée sur le deuxième substrat et non pas sur le premier substrat 1. Le premier substrat 1 comporte un premier guide d’onde optique 11 , un deuxième guide d’onde optique 12 et un guide d’onde optique d’entrée-sortie 10. Les guides d’onde optiques 10, 11 , 12 sont de préférence rectilignes et parallèles entre eux.
Le deuxième substrat 2 comporte un guide d’onde optique 21 en forme de U. Le deuxième substrat 2 comporte en outre une jonction 26 de type jonction Y à guide d’onde planaire ayant une branche commune 260, une branche secondaire 261 et une autre branche secondaire 262. Une extrémité du guide d’onde optique 21 en forme de U est alignée suivant les axes X et Z avec une extrémité du guide d’onde optique d’entrée-sortie 10 à l’interface 20 entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2. L’autre extrémité du guide d’onde optique 21 en forme de U est reliée à une extrémité de la branche commune 260 de la jonction Y sur le deuxième substrat 2. Une extrémité de la branche secondaire 261 de la jonction Y sur un côté du deuxième substrat 2 est reliée directement à une extrémité du premier guide d’onde optique 11 sur un côté adjacent du premier substrat 1. De manière analogue, une extrémité de la branche secondaire 162 de la jonction Y sur le même côté du deuxième substrat 2 est reliée à une extrémité du deuxième guide d’onde optique 12 sur le côté adjacent du premier substrat 1. Autrement dit, les extrémités des branches secondaires 161 et respectivement 162 de la jonction Y sur le deuxième substrat sont alignées suivant les axes X et Z avec une extrémité du premier et respectivement deuxième guide d’onde optique 11 , 12 à l’interface 20 entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2. De façon avantageuse, dans le deuxième substrat 2, chaque branche de la jonction Y peut présenter un rayon de courbure inférieur ou égal à 1 mm. De façon particulièrement avantageuse, les côtés adjacents du premier substrat 1 et du deuxième substrat 2 sont inclinés respectivement d’un angle défini par les lois de Snell-Descartes en fonction de l’indice effectif des guides du premier substrat 1 et respectivement du deuxième substrat 2. Les angles d’inclinaison des côtés du premier substrat 1 et du deuxième substrat 2 sont compris entre 0 et 25 degrés, par exemple d’environ 8 degrés par rapport au plan XZ autour de l’axe X ou Z, de manière à limiter les réflexions internes multiples aux interfaces. Plus précisément, les angles d’inclinaison du premier substrat 1 et du deuxième substrat 2 sont adaptés en fonction des lois de Snell-Descartes. De façon avantageuse, les deux côtés opposés dans la largeur du deuxième substrat 2 sont inclinés par rapport au plan XZ autour de l’axe X ou Z manière à éviter les réflexions internes multiples parasites dans le deuxième substrat 2. L’assemblage du premier substrat 1 et du deuxième substrat 2 est de préférence automatisé afin de réduire les coûts de fabrication.
La combinaison de la jonction Y 26 et du guide d’onde en forme de U 21 avec des rayons de courbure importants, de l’ordre de 1 mm, permet d’atténuer fortement le mode antisymétrique qui se propage ensuite dans le deuxième substrat 2. L’angle d’inclinaison à la jonction entre le deuxième substrat 2 et l’air permet d’atténuer encore les couplages parasites du mode antisymétrique dans le guide d’onde d’entrée-sortie 10 du premier substrat 1.
Le circuit intégré hybride selon le deuxième mode de réalisation filtre le mode antisymétrique de manière encore plus efficace que le premier mode de réalisation.
Dans un exemple de ce deuxième mode de réalisation, le premier substrat 1 de niobate de lithium présente une longueur L1 de 8 mm, une largeur W1 de 3 mm et une épaisseur de 1 mm, le deuxième substrat 2 présente une longueur L2 de 4 mm, une largeur W2 de 3 mm et une épaisseur de 1 mm. Par conséquent, le circuit optique intégré hybride a une longueur totale de 8+4 = 12 mm, une largeur de 3 mm et une épaisseur d’environ 1 mm. Par comparaison avec le circuit optique intégré hybride du premier mode de réalisation, ce deuxième mode de réalisation permet de réduire encore la longueur totale, le poids et le coût du circuit optique intégré hybride. L’interféromètre à fibre optique selon le deuxième mode de réalisation est encore plus compact que celui du premier mode de réalisation. Selon une variante du deuxième mode de réalisation, le circuit optique intégré sur verre est configuré de manière à introduire une différence de longueur de chemin optique entre les deux branches secondaires 261 , 262 de la jonction Y 26. De préférence, cette différence de longueur est supérieure à la longueur de décohérence de la source de lumière utilisée. Par exemple, pour une source erbium ayant une largeur spectrale à mi-hauteur de 6,5 nm, cette différence de longueur est configurée pour être supérieure à 0,6 mm. Cette différence de longueur permet d’éviter de générer un phénomène d’interférences de type Michelson entre les deux extrémités de la jonction Y dans le substrat de verre pour un gyroscope dans lequel les deux voies ne sont pas décorrélées.
Le système interférométrique à fibre optique selon l’un quelconque des modes de réalisation peut être généralisé pour un système interférométrique à deux, trois ou N bobines de fibre optique, où N est un nombre entier naturel supérieur ou égal à 2.
A titre d’exemple, la figure 4 représente schématiquement un système interférométrique à trois bobines de fibre optique et à circuit intégré hybride selon une variante du deuxième mode de réalisation.
Les mêmes signes de référence désignent des éléments analogues à ceux de la figure 2 ou 3.
Le système interférométrique comporte une première bobine de fibre optique 6, une deuxième bobine de fibre optique 7, une troisième bobine de fibre optique 8 et un circuit intégré hybride 200. Le circuit intégré hybride 200 est aussi constitué d’un premier substrat 1 , par exemple en niobate de lithium et d’un deuxième substrat 2, par exemple en verre optique (borosilicate).
Le premier substrat 1 comporte un premier guide d’onde optique 11 et un deuxième guide d’onde optique 12 ayant chacun une extrémité reliée à l’une des extrémités de la première bobine de fibre optique 6. Des électrodes 91 , respectivement 92, sont disposées le long du premier guide d’onde optique 11 et respectivement du deuxième guide d’onde optique 12. Le deuxième substrat 2 comporte une première jonction Y 26 et un premier guide d’onde optique 21 en forme de U analogues à ceux décrits en lien avec la figure 3. L’extrémité de la première, respectivement deuxième, branche secondaire de la jonction Y 26 est reliée à une autre extrémité du premier guide d’onde optique 11 , respectivement du deuxième guide d’onde optique 12 à l’interface 20 entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2. Une extrémité du premier guide d’onde optique 21 en forme de U est reliée à la branche commune de la jonction Y 26. Le premier substrat 1 comporte aussi un premier guide d’onde d’entrée sortie 10. En option, des électrodes 9 sont disposées le long du premier guide d’onde d’entrée-sortie 10. L’autre extrémité du premier guide d’onde optique 21 en forme de U est reliée à une extrémité du premier guide d’onde d’entrée-sortie 10, à l’interface 20 entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2. L’autre extrémité 101 du premier guide d’onde d’entrée-sortie 10 est reliée à une source et un détecteur, de manière analogue à la figure 3.
Le premier substrat 1 comporte en outre un troisième guide d’onde optique 13 et respectivement un quatrième guide d’onde optique 14 ayant chacun une extrémité reliée à l’une des extrémités 71 , respectivement 72, de la deuxième bobine de fibre optique 7. Des électrodes 93, respectivement 94, sont disposées le long du troisième guide d’onde optique 13 et respectivement du quatrième guide d’onde optique 14. Le deuxième substrat 2 comporte une deuxième jonction
Y 27 et un deuxième guide d’onde optique 22 en forme de U. L’extrémité de la première, respectivement deuxième, branche secondaire de la deuxième jonction
Y 27 est reliée à une autre extrémité du troisième guide d’onde optique 13, respectivement du quatrième guide d’onde optique 14 à l’interface 20 entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2. Une extrémité du deuxième guide d’onde optique 22 en forme de U est reliée à la branche commune de la deuxième jonction Y 27. Le premier substrat 1 comporte en outre un deuxième guide d’onde d’entrée sortie 17. En option, des électrodes 97 sont disposées le long du deuxième guide d’onde d’entrée sortie 17. L’autre extrémité du deuxième guide d’onde optique 22 en forme de U est reliée à une extrémité du deuxième guide d’onde d’entrée sortie 17, à l’interface 20 entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2. L’autre extrémité 102 du deuxième guide d’onde d’entrée sortie 17 est reliée à au moins une source et un détecteur.
De manière analogue, le premier substrat 1 comporte en outre un cinquième guide d’onde optique 15 et un sixième guide d’onde optique 16 ayant chacun une extrémité reliée à l’une des extrémités 81 , respectivement 82 de la troisième bobine de fibre optique 8. Des électrodes 95, respectivement 96, sont disposées le long du cinquième guide d’onde optique 15 et respectivement du sixième guide d’onde optique 16. Le deuxième substrat 2 comporte une troisième jonction Y 28 et un troisième guide d’onde optique 23 en forme de U. L’extrémité de la première, respectivement deuxième, branche secondaire de la troisième jonction Y 28 est reliée à une autre extrémité du cinquième guide d’onde optique
15, respectivement du sixième guide d’onde optique 16 à l’interface 20 entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2. Une extrémité du troisième guide d’onde optique 23 en forme de U est reliée à la branche commune de la troisième jonction Y 28. Le premier substrat 1 comporte en outre un troisième guide d’onde d’entrée sortie 18. En option, des électrodes 98 sont disposées le long du troisième guide d’onde d’entrée sortie 18. L’autre extrémité du troisième guide d’onde optique 23 en forme de U est reliée à une extrémité du troisième guide d’onde d’entrée sortie 18, à l’interface 20 entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2. L’autre extrémité du troisième guide d’onde d’entrée sortie 18 est reliée à au moins une source et un détecteur.
De façon avantageuse, les guides d’onde optique 10, 11 , 12, 13, 14, 15,
16, 17 et 18 sont rectilignes et disposés parallèlement les uns aux autres dans le premier substrat.
Dans l’exemple représenté, on observe que le premier guide d’onde optique 21 , le deuxième guide d’onde optique 22 et le troisième deuxième guide d’onde optique 23 en forme de U sont disposés sur le deuxième substrat de manière emboîtée sans croisement entre ces guides d’onde. Dans une variante, le premier guide d’onde optique 21 , le deuxième guide d’onde optique 22 et/ou le troisième deuxième guide d’onde optique 23 peuvent se croiser, de préférence à angle droit, sans interférence entre les faisceaux guidés. Pour chaque bobine de fibre optique, la combinaison d’une jonction Y et d’un guide d’onde en forme de U permet d’obtenir un filtrage efficace des modes antisymétriques non guidés. Ce filtrage permet de combiner les trois bobines sur un même circuit intégré hybride tout en évitant des perturbations par couplage inter-voie (ou cross-talk en anglais) entre les signaux provenant des différentes bobines de fibre optique.
De façon avantageuse, le système interférométrique comporte aussi une source lumineuse non représentée, un système de détection comportant un premier détecteur relié à l’extrémité 101 du premier guide d’onde d’entrée-sortie 10, un deuxième détecteur relié à l’extrémité 102 du deuxième guide d’onde d’entrée-sortie 17 et un troisième détecteur relié à l’extrémité 103 du troisième guide d’onde d’entrée-sortie 18. Le système interférométrique de la figure 4 peut être utilisé pour la fabrication d’une centrale de navigation inertielle, les axes des trois bobines de fibre optique étant disposés suivant les axes d’un repère en 3D. Dans une variante, les axes d’au moins deux bobines sont disposés parallèlement de manière à obtenir des mesures redondantes par rapport à cet axe. Le système interférométrique de la figure 4 peut être généralisé pour la fabrication d’autres capteurs à N bobines de fibre optique, où N est un nombre entier naturel supérieur ou égal à deux.
Dans un exemple de réalisation de l’interféromètre de la figure 4, le premier substrat 1 présente une longueur L1 de 8 mm, une largeur W1 de 3 mm et une épaisseur de 1 mm, le deuxième substrat 2 présente une longueur L2 de 6 mm, une largeur W2 de 3 mm et une épaisseur de 1 mm. Au total, le circuit optique intégré hybride a une longueur totale de 8+6 = 14mm, une largeur de 3 mm et une épaisseur d’environ 1 ,2 mm. L’utilisation d’un circuit optique intégré hybride permet d’augmenter grandement la compacité d’un système interférométrique à plusieurs bobines de fibres optiques, tout en réduisant le poids total. Enfin, l’utilisation d’un circuit optique intégré hybride multi-bobines permet de supprimer certaines opérations de montage et autorise une fabrication automatisée, réduisant ainsi le coût de fabrication.
Sur la figure 5, on a représenté un système interférométrique à fibre optique en boucle et à circuit intégré hybride selon un troisième mode de réalisation.
Les mêmes signes de référence désignent des éléments analogues à ceux de la figure 3.
Le circuit intégré hybride 200 est ici constitué d’un premier substrat 1 , par exemple en niobate de lithium, d’un deuxième substrat 2 et d’un troisième substrat 3. Le deuxième substrat 2 et le troisième substrat 3 sont par exemple en verre optique (borosilicate). En variante, le deuxième substrat 2 et/ou le troisième substrat 3 est formé dans un matériau choisi parmi du nitrure de silicium ou un silicium sur isolant (SOI) ou encore de la silice sur silicium.
Le troisième substrat 3 a aussi généralement une forme géométrique. Dans le plan de la figure 2, ou plan XY, le troisième substrat 3 a généralement une forme rectangulaire. Le troisième substrat 3 est de préférence formé dans un matériau plan ayant une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 3 mm, par exemple d’environ 1 mm dans la direction de l’axe X. Les côtés du troisième substrat 3, pris dans l’épaisseur, sont de préférence inclinés d’un angle compris entre 0 et 25 degrés, par exemple de 8 degrés, par rapport au plan XZ autour de l’axe X ou Z pour éviter les réflexions parasites à l’interface. Les angles d’inclinaison du troisième substrat 3 sont adaptés en fonction des lois de Snell-Descartes.
Le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2 sont fixés l’un à l’autre par un côté adjacent, formant une interface 20, de manière analogue au système illustré sur la figure 3. Le troisième substrat 3 est fixé au premier substrat 1 par un autre côté, opposé au premier côté, formant une autre interface 50.
Plus précisément, le troisième substrat 3 comporte un premier guide d’onde optique 31 et un deuxième guide d’onde optique 32, par exemple rectilignes. Une extrémité du premier guide d’onde optique 31 du troisième substrat 3 est reliée à une extrémité du premier guide d’onde optique 11 à l’interface 50 entre le premier substrat 1 et le troisième substrat 3. L’autre extrémité du premier guide d’onde optique 31 du troisième substrat 3 est reliée à une première extrémité 61 de la bobine de fibre optique 6. Une extrémité du deuxième guide d’onde optique 32 du troisième substrat 3 est reliée à une extrémité du deuxième guide d’onde optique 12 à l’interface 50 entre le premier substrat 1 et le troisième substrat 3. L’autre extrémité du deuxième guide d’onde optique 32 du troisième substrat 3 est reliée à la deuxième extrémité 62 de la bobine de fibre optique 6. Autrement dit, les extrémités des guides d’onde optiques 10, respectivement 11 et 12 du premier substrat 1 sont alignées, suivant les axes X et Z, avec les extrémités des guides d’onde optiques 30, respectivement 31 et 32 du troisième substrat 3.
De façon avantageuse, les extrémités des guides d’onde optiques 31 , 32 destinées à être reliées aux extrémités de la fibre optique sont adaptées en fonction des dimensions d’un faisceau monomode d’une part dans la fibre optique 6 et, d’autre part, dans les guides d’onde optiques du premier substrat 1. Par exemple, les guides d’onde optiques 31 , 32 ont une forme conique ayant, à une extrémité, un diamètre adapté au cœur de la fibre (de l’ordre de 5 à 10 microns de diamètre par exemple) et à l’autre extrémité, un diamètre adapté au guide d’onde formé par échange protonique sur le premier substrat (de l’ordre de 3 à 8 microns de diamètre par exemple).
Le troisième substrat 3 comporte un coupleur à jonction Y 41 à guide d’onde optique planaire. Le coupleur à jonction Y 41 forme un séparateur source- détecteur. Le coupleur à jonction Y 41 comporte une branche commune 30, une branche secondaire 314 et une autre branche secondaire 315. La branche commune 30 est reliée à l’extrémité du guide d’onde optique d’entrée-sortie 10 à l’interface 50 entre le premier substrat 1 et le troisième substrat 3. Une source 4 est fixée sur un côté du troisième substrat. De façon alternative, la source 4 est collée dessus ou dessous le troisième substrat 3 et combinée avec un miroir de renvoi à 45 degrés. La source 4 est choisie parmi une diode électroluminescente (LED), une diode superluminescente (SLED), un laser à rétroaction répartie (ou DFB pour Distributed FeedBack laser) ou une source à émission spontanée amplifié (ASE) à fibre dopée terre rare (erbium en particulier). La source 4 peut être fixée directement sur le substrat 3 ou reliée par fibre optique à l’extrémité de la branche secondaire 314. La source 4 génère le faisceau source 100. Un détecteur 5 est fixé, par exemple, sur un autre côté du troisième substrat. Dans une variante, le détecteur 5 est fixé sur le même côté que la source 4 et la bobine de fibre optique 6. Dans une variante, le détecteur 5 est fixé dessus ou dessous le troisième substrat 3 et combiné avec un miroir de renvoi à 45 degrés. Le séparateur source-récepteur 41 guide le faisceau interférométrique 300 vers le photodétecteur 5. Le détecteur 5 est de préférence une photodiode.
Dans un exemple de réalisation de circuit intégré hybride illustré en figure 5, le premier substrat 1 présente une longueur L1 de 8 mm, une largeur W1 de 3 mm et une épaisseur de 1 mm, le deuxième substrat 2 présente une longueur L2 de 4 mm, une largeur W2 de 3 mm et une épaisseur de 1 mm et le troisième substrat 3 présente une longueur L3 de 4 mm, une largeur W3 de 3 mm et une épaisseur de 1 mm. Au total, le circuit optique intégré hybride a une longueur totale de 8+4+4 = 16 mm, une largeur de 3 mm et une épaisseur d’environ 1 mm. L’intégration de la source et du détecteur sur le circuit optique intégré hybride permet d’augmenter encore la compacité du système interférométrique. Le circuit intégré hybride constitué de 3 substrats fixés les uns aux autres peut être assemblé automatiquement de façon active ou passive, réduisant ainsi le coût de fabrication.
Le système interférométrique à fibre optique selon le troisième mode de réalisation peut être généralisé pour un système interférométrique deux, trois ou N bobines de fibre optique, où N est un nombre entier naturel supérieur ou égal à 2. A titre d’exemple, la figure 6 représente schématiquement un système interférométrique à trois bobines de fibre optique et à circuit intégré hybride selon une variante du troisième mode de réalisation.
Les mêmes signes de référence désignent des éléments analogues à ceux de la figure 4 ou 5, notamment en ce qui concerne les éléments optiques intégrés sur le premier substrat 1 et sur le deuxième substrat 2. Le deuxième substrat 2 comporte ainsi trois jonctions Y 26, 27 et 28 reliées chacune à un guide d’onde optique en forme de U 21 , respectivement 22 et 23.
Sur la figure 6, le troisième substrat 3 comporte trois paires de guides d’onde optiques 31 -32, respectivement 33-34 et 35-36 reliés aux extrémités de la première bobine de fibre optique 6, respectivement deuxième bobine de fibre optique 7 et troisième bobine de fibre optique 8. Une source 4 est fixée ou intégrée sur le troisième substrat 3. Dans l’exemple de la figure 6, la source 4 est fixée sur le côté du troisième substrat où sont reliées les bobines de fibre optique. Un premier détecteur 51 , respectivement deuxième détecteur 52 et troisième détecteur 53, est fixé au troisième substrat 3. Le troisième substrat 3 comporte aussi un premier coupleur séparateur source-détecteur 41 à guide d’onde optique ayant une branche secondaire reliée à la source 4, une autre branche secondaire reliée au premier détecteur 51 et une branche commune reliée à l’extrémité du premier guide d’onde optique d’entrée-sortie 10 à l’interface 50 entre le premier substrat 1 et le troisième substrat 3. De manière analogue, le troisième substrat 3 comporte aussi un deuxième coupleur séparateur source-détecteur 42 à guide d’onde ayant une branche secondaire reliée à la source 4, une autre branche secondaire reliée au deuxième détecteur 52 et une branche commune reliée à l’extrémité du deuxième guide d’onde optique d’entrée-sortie 17 à l’interface 50 entre le premier substrat 1 et le troisième substrat 3. Enfin, le troisième substrat 3 comporte aussi un troisième coupleur séparateur source-détecteur 43 à guide d’onde ayant une branche secondaire reliée à la source 4, une autre branche secondaire reliée au troisième détecteur 53 et une branche commune reliée à l’extrémité du troisième guide d’onde optique d’entrée-sortie 18 à l’interface 50 entre le premier substrat 1 et le troisième substrat 3. Le premier, respectivement deuxième et troisième coupleur séparateur source-détecteur 41 , respectivement 42 et 43 sont de préférence des coupleurs 1 par 2 (noté 1 *2) équi-répartis en puissance, aussi appelés coupleurs 50%-50%. De façon avantageuse, le troisième substrat 3 comporte en outre deux coupleurs à jonction Y 46, 47 disposés en série pour combiner en une seule branche reliée à la source 4 les branches secondaires du premier, deuxième et troisième coupleur séparateur source-détecteur 41 , 42 et 43. Le coupleur à jonction Y 46 est de préférence un coupleur 1 *2 équi-réparti en puissance, ou coupleur 50%-50%. Le coupleur à jonction Y 47 est de préférence un coupleur 1 par 2 de type coupleur 33%-66%, de manière à ce que la puissance maximum du signal provenant de chaque bobine soit de même niveau.
Comme illustré sur la figure 6, deux guides d’onde optiques se croisent perpendiculairement au point 44 sur le troisième circuit optique intégré. Cependant, dans des guides d’onde optique monomodes, un croisement à 90 degrés n’induit aucune communication optique ou perturbation entre les deux guides d’onde transverses.
Dans un exemple de réalisation de circuit intégré hybride illustré en figure 6, le premier substrat 1 en niobate de lithium présente une longueur L1 de 8 mm, une largeur W1 de 3 mm et une épaisseur de 1 mm, le deuxième substrat 2 en verre (S1O2) présente une longueur L2 de 6 mm, une largeur W2 de 3 mm et une épaisseur de 1 ,2 mm et le troisième substrat 3 présente une longueur L3 de 6 mm, une largeur W3 de 3 mm et une épaisseur de 1 ,2 mm. Au total, le circuit optique intégré hybride a une longueur totale de 8+6+6 = 20 mm, une largeur de 3 mm et une épaisseur d’environ 1 ,2 mm. L’intégration de la source 4 et des trois détecteurs 51 , 52, 53 sur le circuit optique intégré hybride permet d’augmenter encore la compacité et de réduire le poids du système interférométrique. Le circuit intégré hybride constitué de 3 substrats fixés les uns aux autres peut être assemblé automatiquement de façon active ou passive, réduisant ainsi le coût de fabrication.
La figure 7 représente schématiquement un système interférométrique de Sagnac à fibre optique en ligne selon un autre mode de réalisation de la présente divulgation. Le système interférométrique à fibre optique en ligne de la figure 7 trouve des applications comme capteur de courant électrique.
Les mêmes signes de référence désignent des éléments analogues à ceux des figures 1 B et 3. Le système comporte une source 4, un détecteur 5, un séparateur source-détecteur 45 et un circuit optique intégré hybride 200. Un circuit optique intégré hybride 200 analogue à celui de la figure 3 remplace le circuit optique intégré 39 de la figure 1 B. Dans l’exemple représenté, le circuit optique intégré hybride 200 comporte un premier substrat 1 en niobate de lithium et un deuxième substrat 2 en verre optique (par ex. borosilicate). Le premier substrat 1 comporte ici aussi un guide d’onde optique d’entrée-sortie 10, un premier guide d’onde 11 muni d’électrodes 91 et un deuxième guide d’onde 12 muni d’électrodes 92. Le deuxième substrat 2 comporte un guide d’onde en forme de U 21 relié à la branche commune d’une jonction Y 26 à guide d’onde.
Le séparateur source-détecteur 45 est relié par une fibre optique 49 au circuit optique intégré hybride 200. Plus précisément, la fibre optique 49 est reliée à une extrémité du guide d’onde d’entrée-sortie 10 sur le premier substrat 1. La fibre optique 49 est une fibre non polarisante. En variante, la fibre optique 49 est polarisante et alignée avec le polariseur constitué par le substrat 1 en niobate de lithium.
Le circuit intégré hybride 200 reçoit un faisceau source 100 sur le guide d’onde d’entrée-sortie 10 monomode. Le guide d’onde d’entrée-sortie 10 polarise linéairement le faisceau source. Le guide d’onde 21 en forme de U est un filtre monomode spatial qui filtre de manière supplémentaire le faisceau source afin de le rendre encore plus monomode spatial. Le deuxième substrat 2 comporte une jonction Y 26 à guide d’onde. La jonction Y 26 reçoit le faisceau source guidé à une extrémité du guide d’onde 21 en forme de U et le sépare en un premier faisceau secondaire polarisé linéairement 121 se propageant suivant une branche secondaire 261 de la jonction Y 26 et un deuxième faisceau secondaire polarisé linéairement 122 se propageant suivant une autre branche secondaire 262 de la jonction Y 26. L’extrémité de la branche secondaire 261 , respectivement de l’autre branche secondaire 262, est reliée à une extrémité du premier guide d’onde 11 , respectivement du deuxième guide d’onde 12, à l’interface 20 entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 2. Le premier faisceau secondaire polarisé linéairement 121 se propage dans le premier guide d’onde 11. Et le deuxième faisceau secondaire polarisé linéairement 122 se propage dans le deuxième guide d’onde 12. Des électrodes 91 et 92 respectivement, sont disposées le long du premier guide d’onde 11 et du deuxième guide d’onde 12 respectivement.
Sur le côté du premier substrat 1 opposé à l’interface 20 avec le deuxième substrat 2, l’extrémité du premier guide d’onde optique 11 est reliée à une section de fibre optique 111. La section de fibre optique 111 est à maintien de polarisation. Dans l’exemple illustré sur la figure 7, on utilise deux sections de fibre optique 111 à maintien de polarisation soudées bout à bout avec une soudure à 90 degrés entre les axes de polarisation des deux sections de fibre optique, de manière à faire tourner l’axe de polarisation de 90 degrés. En variante, les sections de fibre optique 111 et 112 sont disposées de manière différente sur le substrat 1 lors du collage, l’une étant alignée sur l’axe rapide et l’autre sur l’axe lent des axes de la fibre PM. De façon alternative, le premier faisceau lumineux polarisé linéairement 121 se propage dans la section de fibre optique 111 qui est placée en torsion pour faire tourner son axe de polarisation de 90 degrés et qui donc le transforme en un autre faisceau lumineux polarisé linéairement 123, mais à 90 degrés du faisceau 121.
Sur le côté du premier substrat 1 opposé à l’interface 20 avec le deuxième substrat 2, l’extrémité du deuxième guide d’onde optique 12 est reliée à une autre section de fibre optique 112 à maintien de polarisation. De préférence, les extrémités des sections de fibre optique 111 et 112 sont disposées dans un support en V 80 (ou V-groove en anglais). Le deuxième faisceau polarisé linéairement 122 se propage dans l’autre section de fibre optique 112 en conservant sa direction de polarisation. Donc, le deuxième faisceau polarisé linéairement 122 est orienté à 90 degrés de l’autre faisceau 123 polarisé linéairement.
Le séparateur-combineur de polarisation 70 combine le deuxième faisceau polarisé linéairement 122 et l’autre faisceau lumineux polarisé linéairement 123 et les injecte dans la section de fibre à maintien de polarisation linéaire 67.
Les faisceaux polarisés respectivement circulaire droit 133 et circulaire gauche 132 se propagent dans le sens aller de la bobine de fibre optique 66 puis sont réfléchis sur le miroir 77, où les polarisations des faisceaux sont inversées. Puis, les faisceaux polarisés respectivement circulaire droit 142 et circulaire gauche 143 se propagent dans le sens inverse de la bobine de fibre optique 66 et sont transformés par la lame quart d’onde 68 en deux faisceaux polarisés linéairement de polarisations transverses. Le séparateur-combineur de polarisation 70 sépare les deux états de polarisation linéaires transverses et dirige l’un vers le premier guide d’onde optique 11 et l’autre vers le deuxième guide d’onde optique 12. La jonction Y 26 recombine les deux faisceaux ayant chacun parcouru la bobine avec les deux polarisations circulaires croisées et forme un faisceau interférentiel 300, qui se propage dans le guide d’onde 21 en forme de U, le guide d’onde d’entrée-sortie 10, puis la fibre optique 49 vers le détecteur 5.
Dans cet interféromètre de Sagnac en ligne, la combinaison du premier substrat en niobate de lithium et du deuxième substrat en verre, le premier substrat 1 comprenant un guide d’onde d’entrée-sortie 10 monomode polarisant, et des guides d’onde 11 , 12 munis d’électrodes, le deuxième substrat comprenant un guide d’onde 21 monomode en forme de U et en outre ici une jonction Y formant un séparateur pour le faisceau guidé dans le guide d’onde 21 en forme de U. L’intégration des composants indiqués ci-dessus dans un circuit intégré hybride permet de réduire l’encombrement du système interférométrique de Sagnac en ligne, tout en permettant un filtrage monomode et en polarisation du faisceau source et du faisceau interférentiel et une modulation de biréfringence des faisceaux parcourant la bobine de fibre optique. Toutes les extrémités de fibre optique sont disposées sur un même côté du circuit intégré hybride 200. De façon avantageuse, ces extrémités de fibre optique sont disposées dans un support 80 en V (ou V-groove) fixé sur un côté du circuit intégré hybride. Le support 80 en V est peu encombrant et améliore le positionnement des fibres optiques par rapport aux guides d’onde optiques du circuit intégré hybride 200.
Procédé
La présente divulgation propose aussi un procédé de mesure interférométrique, pour interféromètre à fibre optique en boucle ou en ligne, comprenant les étapes suivantes :
- émission d’un faisceau source 100 ;
- utilisation d’un circuit intégré hybride tel que décrit selon l’un des modes de réalisation ci-dessus pour injecter le faisceau source 100 dans au moins un guide d’onde optique d’entrée-sortie 10 polarisant du premier substrat 1 ;
- guidage et filtrage monomode du faisceau source dans le guide d’onde optique 21 en forme de U du deuxième substrat 2 ;
- transmission du faisceau source du guide d’onde optique 21 en forme de U à la branche commune d’une jonction Y 26 à guide d’onde planaire ;
- séparation du faisceau source en un premier et un deuxième faisceau secondaire guidés dans les branches secondaires de la jonction Y 26 ;
- transmission du premier, respectivement deuxième, faisceau secondaire de la première, respectivement deuxième, branche secondaire de la jonction Y vers un premier, respectivement deuxième, guide d’onde optique du premier substrat 1 ;
- transmission du premier, respectivement deuxième, faisceau secondaire de la première, respectivement deuxième, branche secondaire de la jonction Y vers au moins une extrémité de la bobine de fibre optique ;
- réception des deux faisceaux secondaires après propagation dans la bobine de fibre optique sur le premier, respectivement deuxième, guide d’onde optique du premier substrat 1 ;
- formation d’un faisceau interférentiel dans la jonction Y 26 ;
- guidage et filtrage monomode du faisceau interférentiel dans le guide d’onde optique 21 en forme de U du deuxième substrat 2 ;
- détection du faisceau interférentiel.
Le procédé permet de combiner plusieurs fonctions : filtrage monomode et en polarisation, séparation et recombinaison du faisceau lumineux, modulation de phase au moyen d’un seul circuit intégré hybride plan, de faible encombrement, faible poids et de coût de fabrication réduit.

Claims

REVENDICATIONS
1. Interféromètre de Sagnac à fibre optique en boucle ou en ligne comprenant une source lumineuse (4), un système de détection (5, 51 , 52, 53) et au moins une bobine de fibre optique (6),
caractérisé en ce qu’il comporte :
- un circuit optique intégré hybride (200) comprenant au moins un premier substrat (1 ) plan en matériau électro-optique et un deuxième substrat (2) plan en matériau transparent, le premier substrat (1 ) et le deuxième substrat (2) ayant une interface (20) commune entre deux côtés adjacents,
- le premier substrat (1 ) comprenant un guide d’onde optique d’entrée- sortie (10) relié à la source lumineuse (4) et au système de détection (5), une paire d’autres guides d’onde optiques comprenant un premier guide d’onde optique (11 ) et un deuxième guide d’onde optique (12), le premier guide d’onde optique (11 ) et le deuxième guide d’onde optique (12) étant reliés à au moins une extrémité (61 , 62, 611 ) de la bobine de fibre optique (6), un système de modulation électro-optique comprenant au moins une électrode (91 , 92) disposée le long du premier guide d’onde optique (11 ) et/ou du deuxième guide d’onde optique (12);
- le deuxième substrat (2) comprenant au moins un guide d’onde optique
(21 ) en forme de U ;
- le circuit optique intégré hybride (200) comprenant une jonction Y (26, 166) à guide d’onde planaire ayant une branche commune (160, 260), deux branches secondaires (161 , 261 , 162, 262),
- le premier substrat (1 ) et le deuxième substrat (2) étant disposés de manière à ce qu’une extrémité du guide d’onde optique (21 ) en forme de U soit alignée avec une extrémité du guide d’onde optique d’entrée-sortie (10) et que l’autre extrémité du guide d’onde optique (21 ) en forme de U soit alignée avec la branche commune (160, 260) de la jonction Y (26, 166), chacune des deux branches secondaires (161 , 261 , 162, 262) de la jonction Y (26, 166) étant alignée respectivement avec une extrémité d’un guide d’onde optique (11 , 12) de la paire d’autres guides d’onde optiques.
2. Interféromètre de Sagnac à fibre optique selon la revendication 1 dans lequel la jonction Y (166) est formée sur le premier substrat (1 ).
3. Interféromètre de Sagnac à fibre optique selon la revendication 1 dans lequel la jonction Y (26) est formée sur le deuxième substrat (2).
4. Interféromètre de Sagnac à fibre optique selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel le guide d’onde optique (21 ) en forme de U présente une différence d’indice de réfraction avec le deuxième substrat d’au moins 0,05.
5. Interféromètre de Sagnac à fibre optique selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel le guide d’onde optique (21 ) en forme de U présente un rayon de courbure inférieur ou égal à 1 mm.
6. Interféromètre de Sagnac à fibre optique en boucle selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel le premier guide d’onde optique (11 ) est relié à une première extrémité (61 ) de la bobine de fibre optique (6) et le deuxième guide d’onde optique (12) est relié à une deuxième extrémité (62) de la bobine de fibre optique (6).
7. Interféromètre de Sagnac à fibre optique en boucle selon l’une des revendications 1 à 6 comportant N bobines de fibre optique (7, 8), où N est un nombre entier naturel supérieur ou égal à deux, le premier substrat (1 ) comprenant N guides d’onde optique d’entrée-sortie (10, 17, 18), N paires d’autres guides d’onde optiques (11 , 12, 13, 14, 15, 16), chaque guide d’onde desdites N paires d’autres guides d’onde optiques (11 , 12, 13, 14, 15, 16) étant relié à une extrémité (61 , 62, 71 , 72, 81 , 82) distincte d’une des N bobines de fibre optique (7), le système de modulation électro-optique comprenant au moins N électrodes (91 , 92, 93, 94, 95, 96), chacune des au moins N électrodes étant disposée le long d’un guide d’onde desdites N paires d’autres guides d’onde optiques (11 , 12, 13, 14, 15, 16) ;
- le deuxième substrat comprenant N guides d’onde optiques (21 , 22, 23) en forme de U ;
- le circuit optique intégré hybride (200) comprenant N jonctions Y (26, 166, 27, 28) à guide d’onde planaire, chaque jonction Y desdites N jonctions Y ayant une branche commune et deux branches secondaires,
- le premier substrat (1 ) et le deuxième substrat (2) étant disposés de manière à ce qu’une extrémité de chaque guide d’onde optique (21 , 22, 23) en forme de U soit alignée avec une extrémité d’un des N guides d’onde optique d’entrée-sortie (10, 17, 18), l’autre extrémité de chaque guide d’onde optique (21 , 22, 23) en forme de U soit alignée avec la branche commune d’une des N jonctions Y (26, 166, 27, 28), chacune des deux branches secondaires des N jonctions Y (26, 166, 27, 28) étant alignée avec une extrémité d’un guide d’onde desdites N paires d’autres guides d’onde optique (13, 14, 15, 16, 17, 18).
8. Interféromètre de Sagnac à fibre optique selon l’une des revendications 1 à 7 dans lequel le circuit optique intégré hybride (200) comporte en outre un troisième substrat (3) plan en matériau transparent, le troisième substrat (3) et le premier substrat (1 ) ayant une autre interface (50) commune entre deux côtés adjacents, le troisième substrat (3) comprenant une pluralité de guides d’onde optiques, chaque extrémité de guide d’onde optique du premier substrat sur l’autre interface (50) étant relié à une extrémité de guide d’onde optique du troisième substrat.
9. Interféromètre de Sagnac à fibre optique selon la revendication 8, dans lequel le troisième substrat intègre la source lumineuse (4), et au moins un détecteur (51 ).
10. Interféromètre de Sagnac à fibre optique selon les revendications 8 et 9 dans lequel :
- le système de détection comporte N détecteurs (51 , 52, 53).
11. Interféromètre de Sagnac à fibre optique selon l’une des revendications 8 à 10 comportant N sources lumineuses (4).
12. Interféromètre de Sagnac à fibre optique selon l’une des revendications 1 à 11 dans lequel le premier substrat (1 ) est formé dans un matériau choisi parmi le niobate de lithium, le phosphure d’indium, l’arséniure de gallium et l’arséniure d'aluminium et de gallium.
13. Interféromètre de Sagnac à fibre optique selon l’une des revendications 1 à 12 dans lequel le deuxième substrat (2) est formé dans un matériau choisi parmi un verre optique, un nitrure de silicium, un silicium sur isolant et de la silice sur silicium.
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