EP4627294A1 - Systeme optique pour resonateur - Google Patents

Systeme optique pour resonateur

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Publication number
EP4627294A1
EP4627294A1 EP23813373.0A EP23813373A EP4627294A1 EP 4627294 A1 EP4627294 A1 EP 4627294A1 EP 23813373 A EP23813373 A EP 23813373A EP 4627294 A1 EP4627294 A1 EP 4627294A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
prism
optical
optical system
resonator
angle
Prior art date
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Pending
Application number
EP23813373.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Frédéric Seguineau
Aurélien BOUTIN
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.)
Thales SA
Exail SAS
Original Assignee
Thales SA
Exail SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA, Exail SAS filed Critical Thales SA
Publication of EP4627294A1 publication Critical patent/EP4627294A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
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    • 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
    • G01C19/727—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 using a passive ring resonator

Definitions

  • Optical system for resonator FIELD OF THE INVENTION relates to the field of passive fiber optic resonant gyroscopes (Resonant Fiber Optic Gyroscope or RFOGs in English).
  • the resonant cavity OC0 comprises an optical fiber wound into a coil along a radius R (also called "optical resonator coil” in English), and two waves called 11a and 11b propagate in the resonator in opposite direction, respectively in the clockwise direction or CW (for ClockWise in English) and the opposite direction or CCW (for CounterClockcWise in English).
  • FIG. 1 An example of an RFOG is illustrated in Figure 1.
  • the two optical signals 11a and 11b come respectively from incident optical signals 10a and 10b generated by a coherent LSS source system and respectively injected into the two ports P10 and P20 of the resonator in ring. The injection is carried out through an OPS0 optical coupling system.
  • the optical coupling system also includes an optical system 2 for closing the resonator loop, and the signals 11a and 11b rotate in the closed cavity.
  • the optical coupling system also makes it possible to recover the beams transmitted by the cavity Ta and Tb.
  • the LSS source system also includes at least two detectors PhD1 and PhD2 detecting Ta and Tb respectively, and the electrical signals generated by the two detectors are used for frequency locking of the signals 10a and 10b.
  • the LSS source system is connected to a PU processing unit which determines a rotation angle ⁇ around a Z axis parallel to the axis of the coil and perpendicular to the plane of the resonator from the signals extracted from the resonator.
  • the mount is composed of 6 ball lenses (for collimation and focusing of the laser beams), four mirrors (serving as input and/or output coupler for the different beams injected into the cavity) and two polarization separator cubes (for polarization control).
  • the source system includes a master laser and two slave lasers phase-locked on the master for the generation of three waves at three different frequencies, and this is the difference in emission frequency between the two slave lasers which is proportional to the rotation speed of the cavity.
  • gyrometers using a fiber cavity in a coil with a conventional fiber with a silica core present problems of instability and temperature resistance due to the presence of the Kerr effect in the fiber in the presence of contra waves. propagative.
  • the two frequencies fb and fa are generated from a laser Las0 shifted in frequency by acousto-optic modulators OAM1 and OAM2 followed by a phase modulator PM1, PM2.
  • the waves transmitted by the cavity Ta and Tb are recovered by the photodetectors PhD1 and PhD2.
  • Monitoring of the two resonant frequencies is ensured by an electronic servo-control comprising modulation at a frequency fm,1 and fm,2, a low pass filter LPF1, LPF2 generating an error signal which controls the modulator via a corrector PID1, PID2 .
  • the generation of signals 10a and 10b is fiberized and COL collimators allow the manipulation of the beams in free space at the fiber output.
  • collimators are positioned at the output of the fiber of the OC0 resonator.
  • the optical system for this coupling (and looping back of the cavity) OPS0 operates here in free space and includes two mirrors M10 (93% reflection) and M20 (100% reflection).
  • Polarizers and L ⁇ /2 blades arranged on the optical paths of waves 10a and 10b before entering the OPS0 system make it possible to obtain the desired polarization for injection, and the L ⁇ /2 blades arranged in front of ports P10 and P20 make it possible to modify the polarization at the input of the HCF fiber because particular polarizations at the input are necessary to guarantee the best propagation in the fiber.
  • the HCF fiber used here is type IC HC-PCF which stands for Inhibited Coupling, Hollow Core, Photonic Crystal Fiber in English.
  • the empty core is surrounded by a microstructure producing a photonic crystal (folded Bragg grating).
  • the publication Sanders et al “Hollow-core resonator fiber optic gyroscope using nodeless anti-resonant fiber” (Optics letters vol 46 n°1, 2021) describes another example of RFOG with a hollow fiber, here of the NANF type for Nested Anti-resonant Nodeless Fiber.
  • This gyrometer is a 3 wave gyrometer like ⁇ ⁇ in the aforementioned Sanders publication, and the processing uses a modulation/demodulation type approach.
  • the free space optical coupling system uses polarization splitter cubes.
  • all of these HCF fibers have their own drawbacks. There is no effective coupler (which requires looping back into free space), they have significant linear losses and there are strong coupling losses in the fiber due to the small core and the mode adaptation which is delicate. These disadvantages make it difficult to create a cavity without too much loss.
  • the performances of resonant cavity gyrometers are very sensitive to various disturbances in the cavity including variations in the intra-cavity polarization. It is appropriate to adapt the polarization which circulates in free space with the polarization of the mode which circulates in the cavity. It is therefore imperative to control and properly fix the polarization in the cavity. Maintaining a proper polarization during multiple turns in the HCF fiber is also a challenge because there are not yet effective polarization maintenance type HCFs (also called Panda). In addition, the counter-propagating waves should have the same polarization with very good precision because otherwise this causes measurement errors.
  • document EP3514491 proposes a 3-wave gyrometer architecture with an optical coupling system comprising four mirrors, four ball lenses and two polarization separator cubes. It also uses two polarizers, each polarizer being common to the wave entering the optical coupling system and to that injected into the fiber (intra cavity). The technological realization of this configuration is not certain and the optical arrangement of these polarizers in the optical coupling system is unclear.
  • An aim of the present invention is to remedy the aforementioned drawbacks by proposing a new optical architecture of an optical coupling system ⁇ ⁇ to carry out the injection of the two incident beams 10a and 10b into the resonator and to loop it back, and allowing the control of the polarization in the cavity.
  • DESCRIPTION OF THE INVENTION [0019] The present invention relates to an optical system intended to be coupled to an optical resonator, the optical resonator comprising a first port and a second port and being configured so that a first and a second circulate in opposite directions.
  • Figure 6 illustrates an optical system according to the invention according to a second configuration in which the first and the second prism are arranged head to tail.
  • Figure 7 illustrates an optical system according to the invention according to a second variant in which the first and the second prism are double prisms, and according to the first configuration (symmetrical arrangement).
  • Figure 8 illustrates an optical system according to the invention according to the second variant in which the first and the second prism are double prisms, and according to the second configuration (head to tail arrangement).
  • ⁇ ⁇ [0044]
  • Figure 9 illustrates a gyrometer according to the invention.
  • the control and servo electronics comprise for each detected channel a mixer with a frequency f m,1 , f m,2 , a low pass filter LPF1, LPF2, and a corrector PID1, PID2 which loops back onto the associated acousto-optical modulator OAM1, OAM2.
  • the reflected signals Ra and Rb are collected by two photodetectors PhD3 and PhD4. These detectors of the reflected channels can be used to control the gyrometer instead of controlling the channels transmitted via the photo-detectors PhD1 and PhD2. ⁇ ⁇

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Abstract

L'invention concerne un système optique (ORS) destiné à être couplé à un résonateur optique (OC), le résonateur optique comprenant un premier port (P1 ) et un deuxième port (P2) et étant configuré pour que circulent en sens inverses un premier (11 a) et un deuxième (11 b) signal optique, le système optique comprenant : • un premier prisme (PR1 ) et un deuxième prisme (PR2) présentant respectivement : * une première face externe (F1 ext) et une deuxième face externe (F2ext) configurées pour réfléchir respectivement un premier signal optique incident (10a) et un deuxième signal optique incident (10b) avant leur injection dans respectivement le premier port (P1 ) le deuxième port (P2), • une première face interne (Fl int) et une deuxième face interne (F2int) en regard l'une de l'autre, • le premier et le deuxième prisme étant en outre configurés de sorte que la partie interne du trajet commun fasse avec chacune des faces internes (F1 int, F2int) un angle égal à l'angle de Brewster (iB).

Description

DESCRIPTION TITRE : Système optique pour résonateur DOMAINE DE L’INVENTION [0001] La présente invention concerne le domaine des gyromètres résonnants passifs à fibre optique (Resonant Fiber Optic Gyroscope ou RFOGs en anglais). ETAT DE LA TECHNIQUE [0002] Dans les RFOG la cavité résonnante OC0 comprend une fibre optique enroulée en bobine selon un rayon R (également dénommé « optical resonator coil » en anglais), et deux ondes dénommées 11a et 11b se propagent dans le résonateur en sens inverse, respectivement dans le sens horloge ou CW (pour ClockWise en anglais) et le sens inverse ou CCW (pour CounterClockcWise en anglais). [0003] Un exemple d’un RFOG est illustré figure 1. Les deux signaux optiques 11a et 11b sont issus respectivement de signaux optique incidents 10a et 10b générés par un système source LSS cohérent et respectivement injectés aux deux ports P10 et P20 du résonateur en anneau. L’injection s’effectue au travers d’un système optique de couplage OPS0. Le système optique de couplage comprend également un système optique 2 de fermeture de la boucle du résonateur, et les signaux 11a et 11b tournent dans la cavité fermée. [0004] Le système optique de couplage permet également de récupérer les faisceaux transmis par la cavité Ta et Tb. Le système source LSS comprend également au moins deux détecteurs PhD1 et PhD2 détectant respectivement Ta et Tb, et les signaux électriques générés par les deux détecteurs sont utilisés pour les asservissements en fréquence des signaux 10a et 10b. Optionnellement, alternativement ou en combinaison on récupère et utilise les signaux réfléchis par la cavité Ra et/ou Rb (c’est-à-dire l’interférence entre le faisceau passé dans la cavité et le faisceau incident) via des détecteurs PhD3 et PhD4. Le système source LSS est connecté à une unité de traitement PU qui détermine un angle de rotation Ω autour d’un axe Z parallèle à l’axe de la bobine et perpendiculaire au plan du résonateur à partir des signaux extraits du résonateur. ^^ ^ [0005] Le principe de mesure avec un gyromètre est brièvement rappelé ci-dessous. Les mesures de rotation sont effectuées en exploitant l’effet Sagnac. Les signaux optiques dans la cavité présentent respectivement une fréquence fa et fb qui vérifient la condition de résonance, c’est-à-dire que la fréquence est un multiple de l’intervalle spectral libre. En présence d’une rotation angulaire les fréquences des ondes 11a et 11b circulant dans la cavité on a un écart de fréquence ∆f proportionnel à la vitesse de rotation. Pour une fibre de longueur L enroulée sur N tours de rayon R (L=2pRN) on démontre que l’écart en fréquence ∆f s’exprime par : [0007] n indice de la fibre et ^^ vitesse de rotation. [0008] Pour mesurer ce décalage ∆f on récupère des faisceaux prélevés dans la cavité (transmis ou réfléchis) et on utilise typiquement deux asservissements qui permettent de suivre les fréquences de résonnance de la cavité au cours du temps et ainsi de mesurer ∆f. [0009] La publication Sanders et al « Development of Compact Resonator Fiber optic gyroscopes” (IEEE international symposium on Inertial sensors and systems”, p168-170, 2017) décrit un gyromètre RFOG avec une cavité hybride réalisée avec une fibre à maintien de polarisation couplée à une monture en silicium réalisant le système optique de couplage. La monture est composée de 6 lentilles boules (pour la collimation et la focalisation des faisceaux lasers), quatre miroirs (servant de coupleur d’entrée et/ou de sortie pour les différents faisceaux injectés dans la cavité) et deux cubes séparateurs de polarisation (pour le contrôle de la polarisation). Dans ce gyromètre le système source comprend un laser maître et deux lasers esclaves verrouillés en phase (Phase-locked en anglais) sur la maître pour la génération de trois ondes à trois fréquences différentes, et c’est la différence de fréquence d’émission entre les deux lasers esclaves qui est proportionnelle à la vitesse de rotation de la cavité. [0010] Cependant les gyromètres utilisant une cavité fibrée en bobine avec une fibre classique avec un cœur en silice présentent des problèmes d’instabilité et de tenue en température dus à la présence d’effet Kerr dans la fibre en présence d’ondes contra-propagatives. C’est pourquoi dans la dernière décennie des ^^ ^ RFOG utilisant des fibres de nouvelle génération ont été étudiés, et principalement deux familles de fibres, les PBGF pour « Photonic Band Gap Fiber » en anglais et les HCF pour « Hollow Core Fiber ». Dans ces dernières le cœur est constitué d’air ou de vide et ainsi le problème dû à l’effet Kerr est supprimé. [0011] La publication De Ravaille et al « Rotation measurement using a resonant fiber optic gyroscope based on Kagome fiber » (Applied Optics, Vol.58 n°9 mars 2019) décrit un tel gyromètre dont l’architecture est illustrée figure 2. [0012] Les deux fréquences fb et fa sont générées à partir d’un laser Las0 décalé en fréquence par des modulateurs acousto-optiques OAM1 et OAM2 suivis d’un modulateur de phase PM1, PM2. Les ondes transmises par la cavité Ta et Tb sont récupérées par les photodétecteurs PhD1 et PhD2. Le suivi des deux fréquences de résonnance est assuré par un asservissement électronique comprenant une modulation à une fréquence fm,1 et fm,2, un filtre passe bas LPF1, LPF2 générant un signal d’erreur qui pilote le modulateur via un correcteur PID1, PID2. La génération des signaux 10a et 10b est fibrée et des collimateurs COL permettent en sortie de fibre la manipulation des faisceaux en espace libre. De même des collimateurs sont positionnés en sortie de la fibre du résonateur OC0. Le système optique ce couplage (et de rebouclage de la cavité) OPS0 opère ici en espace libre et comprend deux miroirs M10 (93 % de réflexion) et M20 (100% réflexion). Des polariseurs et des lames Lλ/2 disposés sur les trajets optiques des ondes 10a et 10b avant l’entrée dans le système OPS0 permettent d’obtenir la polarisation souhaitée pour l’injection, et les lames Lλ/2 disposées devant les ports P10 et P20 permettent de modifier la polarisation à l’entrée de la fibre HCF car des polarisations particulières en entrée sont nécessaires pour garantir la meilleure propagation dans la fibre. La fibre HCF utilisée ici est de type IC HC-PCF qui signifie Inhibited Coupling, Hollow Core, Photonic Crystal Fiber en anglais. Dans ce type de fibre le cœur vide est entouré d’une microstructure réalisant un cristal photonique (réseau de Bragg replié). [0013] La publication Sanders et al « Hollow-core resonator fiber optic gyroscope using nodeless anti-resonant fiber » (Optics letters vol 46 n°1, 2021) décrit un autre exemple de RFOG avec une fibre creuse, ici de type NANF pour Nested Anti-resonant Nodeless Fiber. Ce gyromètre est un gyromètre à 3 ondes comme ^^ ^ dans la publication Sanders précitée, et le traitement utilise une approche de type modulation/démodulation. Dans cette publication le système optique de couplage en espace libre utilise des cubes séparateurs de polarisation. [0014] Il existe également des gyromètres à trois ondes dans lesquels on injecte par exemple deux ondes CW colinéaires et une onde CCW dans la cavité. [0015] Mais toutes ces fibres HCF présentent leurs propres inconvénients. Il n’existe pas de coupleur efficace (ce qui impose un rebouclage en espace libre), elles ont des pertes linéiques importantes et il y a de fortes pertes de couplage dans la fibre dues au petit cœur et à l’adaptation de mode qui est délicate. Ces inconvénients rendent difficile la réalisation d’une cavité sans trop de pertes. [0016] En outre les performances des gyromètres à cavité résonante sont très sensibles aux différentes perturbations dans la cavité dont des variations de la polarisation intra-cavité. Il convient d’adapter la polarisation qui circule en espace libre avec la polarisation du mode qui circule dans la cavité. Il est donc impératif de maitriser et fixer proprement la polarisation dans la cavité. La conservation d’une polarisation propre lors des multiples tours dans la fibre HCF est également un défi car il n’existe pas encore des HCF de type maintien de polarisation (également dénommé Panda) efficace. En outre il convient que les ondes contra- propagatives présentent une même polarisation avec très bonne précision car sinon cela engendre des erreurs de mesure. Une différence de polarisation entre les deux ondes contra-propagatives engendre une non réciprocité entre les deux chemins optiques ce qui fausse la mesure. [0017] Afin de tenter de résoudre les problèmes de polarisation le document EP3514491 propos une architecture de gyromètre à 3 ondes avec un système optique de couplage comprenant quatre miroirs, quatre lentilles boules et deux cubes séparateurs de polarisation. Il utilise également deux polariseurs, chaque polariseur étant commun à l’onde entrant dans le système optique de couplage et à celle injectée dans la fibre (intra cavité). La réalisation technologique de cette configuration n’est pas acquise et l’agencement optique de ces polariseurs dans le système optique de couplage est peu clair. [0018] Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant une nouvelle architecture optique d’un système optique de couplage ^^ ^ pour réaliser l’injection des deux faisceaux incidents 10a et 10b dans le résonateur et opérer un rebouclage de celui-ci, et permettant la maîtrise de la polarisation dans la cavité. DESCRIPTION DE L’INVENTION [0019] La présente invention a pour objet un système optique destiné à être couplé à un résonateur optique, le résonateur optique comprenant un premier port et un deuxième port et étant configuré pour que circulent en sens inverse un premier et un deuxième signal optique, le système optique comprenant : - un premier prisme et un deuxième prisme disposés sur un trajet commun au premier et au deuxième signal en espace libre entre les deux ports, le premier prisme et le deuxième prisme présentant respectivement : o une première face externe et une deuxième face externe configurées pour réfléchir respectivement un premier signal optique incident et un deuxième signal optique incident avant leur injection dans respectivement le premier port le deuxième port, o une première face interne et une deuxième face interne en regard l’une de l’autre, une partie du trajet commun situé entre les deux faces internes étant dénommée partie interne du trajet commun, - le premier et le deuxième prisme étant en outre configurés de sorte que la partie interne du trajet commun fasse avec chacune des faces internes F1int, F2int un angle égal à l’ange de Brewster. [0020] Selon un mode de réalisation le premier prisme et le deuxième prisme présentent respectivement un premier et un deuxième sommet présentant respectivement un premier et un deuxième angle différents. [0021] Selon un autre mode de réalisation le premier prisme et le deuxième prisme présentent respectivement un premier et un deuxième sommet présentant respectivement un premier et un deuxième angle identique. [0022] Selon une première variante les première et deuxième faces internes des prismes sont agencées de manière symétrique par rapport à un plan perpendiculaire au plan du trajet commun. ^^ ^ [0023] Selon une deuxième variante le premier et le deuxième prisme sont agencés tête bêche. [0024] Selon un mode de réalisation le premier et le deuxième prisme sont à base triangulaire. [0025] Selon un mode de réalisation le premier et le deuxième prisme sont des doubles prismes, chaque double prisme présentant un sommet additionnel présentant un angle identique à l’angle du sommet correspondant. [0026] Selon un mode de réalisation le premier et/ou le deuxième prisme sont tronqués. [0027] Selon un mode de réalisation le premier angle est déterminé de manière à obtenir respectivement un premier coefficient de réflexion du premier signal optique sur la première face externe et un deuxième coefficient de réflexion du deuxième signal optique sur la deuxième face externe prédéterminés. [0028] L’invention concerne également un gyromètre comprenant : - un système source cohérent configuré pour générer le premier et le deuxième signal optique incident, - le résonateur optique, - un système optique selon l’invention couplé au résonateur optique, - le système source comprenant au moins un premier et un deuxième photo- détecteurs configurés pour détecter des signaux optiques extraits dudit résonateur via ledit système optique, et une électronique de contrôle et d’asservissement, - une unité de traitement configurée pour déterminer un angle ou une vitesse de rotation autour d'un axe Z à partir des signaux électriques générés par lesdits détecteurs. [0029] Selon un mode de réalisation le résonateur est une cavité comprenant au moins trois miroirs. [0030] Selon un autre mode de réalisation le résonateur est une fibre optique. [0031] Selon un mode de réalisation la fibre est enroulée en bobine. [0032] Selon un mode de réalisation la fibre optique est une fibre à cœur creux. ^^ ^ [0033] La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l’invention : ces exemples sont non limitatifs de la portée de l’invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l’invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés. [0034] L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques, buts et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels : [0035] La figure 1 déjà citée illustre un schéma de principe du fonctionnement d’un gyromètre. [0036] La figure 2 déjà citée illustre l’architecture d’un gyromètre à cavité fibrée avec une fibre à cœur creux selon l’état de l’art. [0037] La figure 3 illustre les caractéristiques de l’angle de Brewster. [0038] La figure 4 illustre un système optique selon l’invention selon une première configuration dans laquelle les faces internes des prismes sont agencées de manière symétrique, et selon une première variante dans laquelle les prismes sont à base triangulaire, pour le trajet optique du signal générique CW [0039] La figure 5 illustre le système optique selon l’invention de la figure 4 pour le trajet optique du signal générique CCW. [0040] La figure 5bis illustre le système optique selon l’invention couplé à une cavité à miroirs. [0041] La figure 6 illustre un système optique selon l’invention selon une deuxième configuration dans laquelle le premier et le deuxième prisme sont agencés tête bêche. [0042] La figure 7 illustre un système optique selon l’invention selon une deuxième variante dans laquelle le premier et le deuxième prisme sont des doubles prismes, et selon la première configuration (agencement symétrique). [0043] La figure 8 illustre un système optique selon l’invention selon la deuxième variante dans laquelle le premier et le deuxième prisme sont des doubles prismes, et selon la deuxième configuration (agencement tête bèche). ^^ ^ [0044] La figure 9 illustre un gyromètre selon l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION [0045] Dans la suite de l’exposé de l’invention les notations des signaux optiques incidents 10a, 10b et des signaux optiques circulant dans le résonateur 11a, 11b, ont la même signification que dans l’état de la technique. [0046] L’invention concerne un système optique OPS destiné à être couplé à un résonateur optique OC. Le système OPS injecte les faisceaux extérieurs 10a et 10b (signaux optiques incidents) dans le résonateur et réalise la fermeture de la boucle du résonateur. [0047] L’invention est basée sur l’utilisation de prismes fonctionnant à l’angle de Brewster, dont les principales caractéristiques sont schématisées figure 3. Lorsque une onde lumineuse se réfléchit sur un dioptre entre deux milieux d’indice respectifs n1 et n2 les coefficients de Fresnel R (réflexion) et T (transmission) se calculent, pour un angle d’incidence donné dans le premier milieu et pour chaque polarisation TE (plan perpendiculaire au plan d’incidence) et TM (dans le plan d’incidence), selon les lois de l’optique bien connues. Pour un angle d’incidence particulier dit angle de Brewster iB la polarisation TM est intégralement transmise, c’est à dire que sa réflexion est nulle. Pour un dioptre air/verre d’indice 1.5 l’angle d’incidence dans l’air iB= 56.3°. [0048] Ainsi à l’angle de Brewster on a une polarisation TM qui va se transmettre d’un dioptre à l’autre avec un haut degré de pureté et sans perte. [0049] Le système optique selon l’invention OPS est un système de couplage adapté à un résonateur dans lequel circulent les signaux optiques contra-propagatifs. Le résonateur comprend deux ports entre lesquels les signaux optiques contra- propagatifs se propagent en espace libre. On dénomme trajet commun TC ce trajet optique effectué en espace libre entre les deux ports. Le système OPS peut être implémenté dans tout type de gyromètre présentant une cavité de ce type. Il est ainsi compatible d’un gyromètre à 2 ou 3 ondes, avec un système source comprenant un ou plusieurs lasers et tous les différents types d’asservissements connus de l’homme de l’art. Il est adapté à une cavité à miroirs et à une cavité fibrée, la fibre étant en bobine ou pas, à cœur plein ou à cœur creux, avec un intérêt particulier pour ce dernier type de fibre. Le système optique selon ^^ ^ l’invention est une solution alternative aux différents systèmes de couplage optique connus de l’homme de l’art dont des exemples ont été donnés ci-dessus. [0050] Le système optique selon l’invention est illustré figure 4 (pour le trajet optique du signal générique CW) et figure 5 (pour le trajet optique du signal générique CCW). Le résonateur auquel OPS est couplé comprend un premier port P1 et un deuxième port P2. Dans le résonateur circulent en sens inverse un premier signal optique 11a et un deuxième signal optique 11b. [0051] Pour une cavité fibrée on entend par port une entrée/sortie entre la partie de la cavité du résonateur qui n’est pas en espace libre (la fibre) et la partie en espace libre qui ferme cette cavité. Les ports P1 et P2 correspondent alors aux extrémités de la fibre, tel qu’illustré figures 4 et 5. [0052] Pour une cavité à miroirs comprenant aux moins trois miroirs M1, M2, M3 telle qu’illustrée figure 5bis, dans laquelle toute la propagation dans la cavité est en espace libre, les ports P1 et P2 ne matérialisent par un changement de mode de propagation. Ils peuvent par exemple être considérés comme les points d’impact des faisceaux sur les miroirs M1 et M2 de la cavité. La cavité peut comprendre plus que trois miroirs. L’«injection » dans les ports au sens de la revendication 1 correspond alors à une réflexion. [0053] Le système optique selon l’invention OPS est couplé au résonateur OC dans le sens qu’il y est intégré de manière à fermer la boucle du résonateur. [0054] Le système OPS selon l’invention comprend un premier prisme PR1 et un deuxième prisme PR2 disposés sur le trajet commun TC des signaux 11a et 11b en espace libre entre les deux ports P1 et P2. [0055] Le premier et le deuxième prisme présentent respectivement un premier sommet S1 et un deuxième sommet S2. Pour des questions d’encombrement ou de poids selon un mode de réalisation les prismes sont tronqués. Dans ce cas le sommet est virtuel c’est-à-dire qu’il n’existe pas physiquement et correspond à un point de l’espace. [0056] Le premier prisme PR1 présente une première face externe F1ext configurée pour réfléchir le premier signal optique incident 10a avant son injection dans le premier port P1, et une première face interne F1int. Le deuxième prisme PR2 présente une deuxième face externe F2ext configurée pour réfléchir le deuxième ^^ ^ signal optique incident 10b avant son injection dans le deuxième port P2, et une deuxième face interne F2int. Les faces F1int et F2int sont en regard l’une de l’autre, et la partie du trajet commun TC situé entre les deux faces internes F1int et F2int est dénommée partie interne du trajet commun TCint. Le point A est le point d’impact du faisceau 11a sur PR1 et le point B est le point d’impact du faisceau 11b sur PR2. En l’absence de miroirs entre les deux faces internes des prismes TCint correspond au segment AB. [0057] Dans la configuration de l’invention les faisceaux 10a et 10b extérieurs sont injectés dans la cavité du résonateur par réflexion sur les faces externes des prismes, alors que la cavité est fermée par transmission au travers des prismes. [0058] Ainsi le signal incident 10a est réfléchi par PR1 puis injecté/orienté via le port P1 dans le résonateur OC, il circule alors dans la cavité en y effectuant une pluralité de tours. Le signal incident 10b est réfléchi par PR2 puis injecté via le port P2 dans le résonateur OC, il circule alors dans la cavité en y effectuant une pluralité de tours. Une fois insérés dans la cavité les faisceaux 10a et 10b sont dénommés 11a et 11b. Une partie du signal circulant 11a est prélevée par réflexion sur le prisme PR2 pour former le premier signal transmis Ta, et de même une partie du signal circulant 11b est prélevée par réflexion sur le prisme PR1 pour former le deuxième signal transmis Tb. [0059] Le premier prisme PR1 et le deuxième prisme PR2 sont en outre configurés de sorte que la partie interne du trajet commun TCint fasse avec chacune des faces internes (F1int, F2int) un angle égal à l’ange de Brewster iB. [0060] L’utilisation de prismes à Brewster pour la partie inter-prisme du trajet commun assure un axe de polarisation rigoureusement identique, l’axe TM, pour les deux faisceaux contra-propagatifs qui traversent les deux prismes. Il n’y a plus de problème d’alignement des polariseurs pour ces deux faisceaux, un désalignement générant un écart de chemin optique et des pertes récurrentes à chaque tour dans la cavité. La pureté de l’onde TM transmise à l’incidence de Brewster est bien meilleure que celle obtenue avec un polariseur. En cas de dépolarisation dans la cavité ou d’un écart entre la polarisation d’injection et la polarisation TM il y a des pertes pour l’onde TE à la traversé des deux prismes. En outre une propagation sans pertes dans la partie espace libre de la cavité des signaux optiques 11a et 11b polarisés TM est réalisée. ^^^ ^ [0061] Ainsi l’utilisation de prismes assure une faible dérive due à la polarisation sans générer plus de pertes dans la cavité. [0062] Or les pertes dans la cavité sont critiques pour la sensibilité du gyromètre qui intégrera le système OPS selon l’invention : un minimum de pertes permet d’avoir une pente de la fonction d’erreur élevée et donc une meilleure sensibilité. [0063] La portion de l’onde réfléchie sur le prisme (injection) est équivalente à l’onde transmise par un miroir ou un coupleur à fibre selon l’état de la technique. Avec la réflexion sur le prisme il n’y a pas de pertes dues à la diffusion ou à l’absorption dans la matière comme c’est le cas avec un miroir ou un coupleur. [0064] Un autre avantage de la configuration à deux prismes selon l’invention est sa faible sensibilité aux variations de température, contrairement à un empilement de couches pour le cas des miroirs selon l’état de la technique. [0065] En outre avec la configuration à deux prismes de l’invention l’onde réfractée dans le prisme lors de l’incidence sur la face externe est utilisée pour collecter le signal de réflexion, Ra avec PR1 et Rb avec PR2 (voie dite réflexion). [0066] Selon un mode de réalisation des miroirs sont positionnés dans le système OPS, tels MR1 et MR2 sur les figures 4 et 5, typiquement pour des questions d’encombrement. Mais de manière générale on cherche à éviter au maximum l’insertion de composants additionnels sur le chemin optique de la cavité en espace libre, susceptibles d’introduire des pertes. Les miroirs MR1 et MR2 peuvent par exemple être supprimés en orientant de manière adaptée les extrémités de la fibre. [0067] De manière connue pour un résonateur comprenant une fibre OF, des collimateurs COL1et COL2 sont positionnés en sortie de P1 et P2, qui sont les extrémités de la fibre. Ces collimateurs sont parfois intégrés sur les extrémités. [0068] De manière également connue l’angle de polarisation de l’onde lorsqu’elle est injectée dans une fibre creuse fibre doit être égal à une valeur prédéterminée pour assurer autant que possible une propagation en maintenant la polarisation. On insère dans ce cas typiquement une lame demi onde L1λ/2 et L2 λ/2 entre les extrémités P1, P2 et le système OPS pour que l’angle de polarisation à l’entrée de la fibre présente la bonne valeur. Ces lames sont préférentiellement inclinées pour éviter les réflexions parasites. ^^^ ^ [0069] Dans le cas général rien n’interdit que les deux prismes PR1 et PR2 présentent respectivement un indice de réfraction n1 et n2 différents, ce qui implique une valeur des angles Brewster iB1 et iB2 différents. Cependant pour des questions évidentes de facilité de fabrication et de réalisation du système optique selon l’invention un mode préféré est de prendre un même matériau pour les deux prismes et donc un même indice de réfraction np pour les deux prismes, et donc une même valeur de l’angle de Brewster iB pour les deux prismes. Ce cas sera considéré par la suite, de manière non limitative. [0070] Selon un mode de réalisation le premier angle α1 du sommet S1 et le deuxième angle α2 du sommet S2 sont différents. Cela induit une différence de valeur entre le coefficient de réflexion Rp1 (premier coefficient de réflexion) et le coefficient Rp2 (deuxième coefficient de réflexion) respectivement des faisceaux 10a et 10b sur les prismes PR1 et PR2 en mode TM. Les ondes circulant dans la cavité présentent néanmoins une puissance sensiblement équivalente car un rééquilibrage est fait au niveau de la puissance respective des faisceaux incidents 10a et 10b. La différence entre Rp1 et Rp2 permet cependant d’optimiser les pertes à chaque tour. En effet les pertes intra-cavité sont dues aux pertes intrinsèques de la fibre, aux pertes d’injection dans la fibre et aux coefficients Rp1 et Rp2. Donc on peut légèrement réduire les pertes dans la cavité (ce qui améliore la finesse de la cavité) en réduisant un des deux coefficients Rp1 ou Rp2. Le déséquilibre entre les puissances laser contra-propagatives est compensé par la puissance laser injectée. Cette configuration est cependant difficile à régler. [0071] Selon un autre mode de réalisation le premier angle α1 et le deuxième angle α2 du sommet S2 sont identiques et égaux à α, on a ainsi autant de pertes sur la voie CW que sur la voie CCW. Cette configuration est plus aisée à régler, l’équilibre entre les deux voies s’opérant naturellement. [0072] Sous la contrainte de l’angle de Brewster tel que définie plus haut, différentes manières d’agencer les prismes sont possibles, dont des exemples sont décrits ci-après de manière non limitative. [0073] Les figures 4 et 5 illustrent une première configuration du système optique OPS selon l’invention dans laquelle les première et deuxième faces internes des ^^^ ^ prismes F1int et F2int sont agencées de manière symétrique par rapport à un plan perpendiculaire au plan du trajet commun, qui correspond au plan de la feuille sur les figures 4 et 5, perpendiculaire à l’axe Z. Typiquement lorsque TCint est égal au segment AB ce plan coupe le plan du trajet commun selon la médiatrice Med du segment AB. [0074] La figure 5bis illustre la première configuration des deux prismes selon l’invention couplée à une cavité comprenant trois miroirs. Aucun collimateur ni lame demi-onde n’est nécessaire dans ce cas. [0075] Selon une deuxième configuration illustrée figure 6 le premier et le deuxième prisme sont agencés tête bêche. Les faces internes F1int et F2int sont alors parallèles entre elles. L’avantage de la configuration tête bêche est qu’elle compense le chromatisme des prismes. La longueur d’onde du laser n’est jamais parfaitement monochromatique et au fil des tours la tâche du faisceau s’agrandit. Cet effet est particulièrement néfaste pour une cavité avec une fibre creuse qui présente un cœur de petite dimension dans lequel il est difficile de coupler un faisceau lumineux sans pertes. Un agrandissement de la tâche augment les pertes de couplage dans la fibre. [0076] Selon une première variante illustrée sur les figures 4 à 6 le premier et le deuxième prisme sont à base triangulaire. [0077] Selon une deuxième variante illustrée figures 7 (première configuration) et 8 (deuxième configuration) le premier et le deuxième prisme sont des doubles prismes, chaque double prisme présentant un sommet additionnel (S1’, S2’) présentant un angle identique à l’angle du sommet correspondant. Il s’agit de deux prismes identiques « accolés » par la base. L’avantage de la deuxième variante à double prisme est que l’onde réfléchie Ra, Rb se réfracte en sortant du prisme selon l’angle de Brewster. Pour le mode TM les réflexions internes parasites de Ra et Rb sont supprimées et les pertes de la cavité dues à la traversée des prismes sont minimisées pour la voie en réflexion. [0078] La deuxième variante combinée avec la deuxième configuration (double prismes tête bêche (figure 8) est donc l’option optimale en terme de minimisation des pertes et du chromatisme. ^^^ ^ [0079] Le mode de réalisation dans lequel le premier et le deuxième prisme sont tronqués pour des questions d’encombrement est illustré sur la figure 7. [0080] Dans un gyromètre le taux ou coefficient de couplage est défini par la fraction du faisceau incident 10a, 10b qui est injecté dans la fibre (plus généralement la cavité). Cette fraction doit être adaptée aux pertes de la cavité comprenant pour une cavité fibrée les pertes dans la fibre, les pertes d’injection dans la fibre, et également les pertes dans le système optique qui ferme la cavité. Ainsi en fonction des pertes totales dans la cavité on calcule une valeur de ce coefficient dit coefficient de couplage critique Copt, ce qui maximise la pente de la fonction d’erreur. [0081] Ce coefficient Copt, qui dépend des pertes de la cavité, est typiquement compris en 1 et 5 %. [0082] L’utilisation de polariseurs dans la cavité, comme décrit dans l’état de la technique, introduit des pertes difficiles à estimer, ce qui ajoute de l’incertitude sur la valeur du coefficient de couplage optimal. [0083] Pour un angle α identique pour les deux prismes, l’obtention d’une valeur prédéterminée du coefficient de réflexion Rp0=rTM fixe l’angle au sommet α optimal pour les prismes d’indice de réfraction donné np. [0084] L’indice de réfraction des prismes np fixe l’angle de Brewster, qui est l’angle entre TCint et la face interne des prismes. Ensuite l’angle au sommet α est déterminé en fonction du coefficient de couplage désiré. [0085] Il a été établi la formule suivante qui relie rTM et α : [0087] Avec n1 = indice de l’air et n2 = np [0088] L’angle d’injection iinj est déterminé par la formule suivante : [0090] L’invention concerne également un gyromètre 10 résonnant passif dont un exemple est illustré figure 9. Le gyromètre 10 illustré sur cette figure est du même ^^^ ^ type que celui illustré figure 2, avec un couplage entre faisceaux incidents 10a, 10b et résonateur réalisé par un système optique selon l’invention à la place des deux miroirs M10 et M20. [0091] Le gyromètre 10 comprend un système source LSS cohérent configuré pour générer le premier signal optique incident 10a et le deuxième signal optique incident 10b. Pour mémoire ces deux signaux sont décalés en fréquence (voir état de la technique). Le gyromètre comprend également le résonateur OC et un système optique OPS selon l’invention tel que décrit ci-dessus couplé au résonateur. Le système source LSS comprend au moins un premier photo- détecteur PD1 et un deuxième photo-détecteurs PD2 configurés pour détecter des signaux optiques extraits du résonateur OC via ledit système optique OPS. Le gyromètre comprend également une électronique de contrôle et d’asservissement pour réaliser le décalage en fréquence, et sonder ce décalage en fonction du temps pour remonter à une mesure d’angle ou de vitesse angulaire. [0092] Le gyromètre comprend enfin une unité de traitement PU configurée pour déterminer un angle de rotation Ω ou une vitesse de rotation ^^ autour d'un axe Z à partir des signaux électriques générés par les photo-détecteurs. [0093] Le gyromètre selon l’invention peut être à 2, 3 ou 4 ondes, générées avec un ou plusieurs lasers, et piloté avec une électronique de contrôle et d’asservissement selon les techniques connues de l’homme de l’art. [0094] Selon un mode de réalisation le résonateur est une cavité à au moins trois miroirs. Une cavité à 3 miroirs M1, M2 et M3 est illustrée figure 5bis. Une cavité à quatre miroirs présente typiquement un agencement en rectangle des miroirs M1, M2, M3 et M4. [0095] Selon un autre mode de réalisation le résonateur est une fibre optique OF tel qu’illustré figure 9. Selon un mode de réalisation la fibre est enroulée en bobine, comme également illustré figure 9. [0096] Selon un mode de réalisation la fibre est à cœur plein et selon un autre mode de réalisation la fibre est à cœur creux. Un gyromètre selon l’invention avec ce type de fibre à cœur creux présente un intérêt particulier car les pertes intrinsèques de la fibre à cœur creux et les pertes d’injection dans la fibre sont ^^^ ^ assez importantes et limitent la valeur maximale de la finesse. Il est donc important de minimiser les pertes au niveau des optiques de re-bouclage, ce qui est parfaitement réalisé avec l’exploitation de l’angle à Brewster sur la face interne du prisme. De plus, il n’existe pas à ce jour de fibre à cœur creux à maintien de polarisation avec des caractéristiques compatibles de l’application gyromètre, ce qui oblige à maitriser finement la polarisation intra-cavité. L’exploitation de l’angle à Brewster assure un réglage fin de la polarisation intra- cavité. [0097] Des exemples de fibres à cœur creux sont donnés de manière non limitative dans l’état de la technique. [0098] La figure 9 illustre un gyromètre dans lequel les deux signaux 10a et 10b sont générés par un laser unique L séparé en 2 voies. Chaque voie comprend un modulateur acousto-optique (OAM1, OAM2) pour le décalage en fréquence et un modulateur de phase (PM1, PM2) pour la modulation de chacune des ondes contra-propagatives, ce qui permet de réaliser l’asservissement des deux ondes sur leurs cavités respectivement. Un isolateur (Iso1, Iso2) empêche les signaux rétrodiffusés par la cavité de revenir vers la source laser. [0099] Des circulateurs Circ1 et Circ2 assurent la distribution des signaux 10a, 10b vers la cavité et des signaux Ta, Tb vers les photo-détecteurs PhD1 et PhD2. L’ensemble AOM/PM/Iso/Circ est fibré et chaque voie comprend également un collimateur COL en sortie de la fibre et un polariseur P qui assure une polarisation TM aux faisceaux incidents sur les prismes. Le gyromètre comprend également des miroirs de renvoi MR1, MR2, M’1 et M’2. [0100] L’électronique de contrôle et d’asservissement comprend pour chaque canal détecté un mélangeur avec une fréquence fm,1, fm,2, un filtre passe bas LPF1, LPF2, et un correcteur PID1, PID2 qui reboucle sur le modulateur acousto- optique associé OAM1, OAM2. [0101] Les signaux réfléchis Ra et Rb sont collectés par deux photo-détecteurs PhD3 et PhD4. Ces détecteurs des voies réfléchies peuvent servir à l’asservissement du gyromètre à la place d’un asservissement sur les voies transmises via les photo-détecteurs PhD1 et PhD2. ^^^ ^

Claims

REVENDICATIONS 1. Système optique (OPS) destiné à être couplé à un résonateur optique (OC), le résonateur optique comprenant un premier port (P1) et un deuxième port (P2) et étant configuré pour que circulent en sens inverses un premier (11a) et un deuxième (11b) signal optique, le système optique comprenant : • un premier prisme (PR1) et un deuxième prisme (PR2) disposés sur un trajet commun (TC) au premier et au deuxième signal en espace libre entre les deux ports, le premier prisme et le deuxième prisme présentant respectivement : • une première face externe (F1ext) et une deuxième face externe (F2ext) configurées pour réfléchir respectivement un premier signal optique incident (10a) et un deuxième signal optique incident (10b) avant leur injection dans respectivement le premier port (P1) le deuxième port (P2), • une première face interne (F1int) et une deuxième face interne (F2int) en regard l’une de l’autre, une partie du trajet commun (TC) situé entre les deux faces internes étant dénommée partie interne du trajet commun (TCint), • le premier et le deuxième prisme étant en outre configurés de sorte que la partie interne du trajet commun (TCint) fasse avec chacune des faces internes (F1int, F2int) un angle égal à l’angle de Brewster (iB).
2. Système optique selon la revendication précédente dans lequel le premier prisme et le deuxième prisme présentent respectivement un premier (S1) et un deuxième (S2) sommet présentant respectivement un premier (α1) et un deuxième angle (α2) différents.
3. Système optique selon la revendication 1 dans lequel le premier prisme et le deuxième prisme présentent respectivement un premier (S1) et un deuxième (S2) sommet présentant respectivement un premier et un deuxième angle identiques (α).
4. Système optique selon l’une des revendications précédentes dans lequel les première et deuxième faces internes des prismes sont agencées de manière symétrique par rapport à un plan perpendiculaire au plan du trajet commun. ^^^ ^
5. Système optique selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel le premier et le deuxième prisme sont agencés tête bêche.
6. Système optique selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier et le deuxième prisme sont à base triangulaire.
7. Système optique selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier et le deuxième prisme sont des doubles prismes, chaque double prisme présentant un sommet additionnel (S1’, S2’) présentant un angle identique à l’angle du sommet correspondant.
8. Système optique selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier et/ou le deuxième prisme sont tronqués.
9. Système optique selon l’une des revendications 2 à 8 dans lequel le premier angle est déterminé de manière à obtenir respectivement un premier coefficient de réflexion (Rp1) du premier signal optique (10a) sur la première face externe (F1ext) et un deuxième coefficient de réflexion (Rp2) du deuxième signal optique (F2ext) sur la deuxième face externe prédéterminés.
10. Gyromètre (10) comprenant : • un système source (LSS) cohérent configuré pour générer le premier (10a) et le deuxième (10b) signal optique incident, • le résonateur optique (OC), • un système optique (OPS) selon l’une des revendications précédentes couplé au résonateur optique, • le système source comprenant au moins un premier (PD1) et un deuxième (PD2) photo-détecteurs configurés pour détecter des signaux optiques extraits dudit résonateur via ledit système optique, et une électronique de contrôle et d’asservissement, • une unité de traitement (PU) configurée pour déterminer un angle et/ou une vitesse de rotation autour d'un axe Z à partir des signaux électriques générés par lesdits détecteurs
11. Gyromètre selon la revendication précédente dans lequel le résonateur est une cavité comprenant au moins trois miroirs. ^^^ ^
12. Gyromètre selon la revendication 10 dans lequel le résonateur est une fibre optique.
13. Gyromètre selon la revendication précédente dans lequel la fibre est enroulée en bobine.
14. Gyromètre selon la revendication précédente dans lequel la fibre optique est une fibre à cœur creux. ^^^ ^
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