FR2555739A1 - Dispositif de mesure d'un dephasage non reciproque engendre dans un interferometre en anneau - Google Patents

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE A LA MESURE D'UN DEPHASAGE NON RECIPROQUE DANS UN INTERFEROMETRE EN ANNEAU. ELLE A POUR OBJET UN DISPOSITIF INTERFEROMETRIQUE A ANNEAU COMPORTANT DES MOYENS DE DEPHASAGE OPTIQUES AGISSANT SUR LES RAYONNEMENTS QUI PARCOURENT L'ANNEAU 2, CES MOYENS COMPORTANT UN OSCILLATEUR DELIVRANT UNE TENSION PERIODIQUE DE FREQUENCE 12T, OU T EST LE TEMPS MIS PAR UN RAYONNEMENT POUR PARCOURIR L'ANNEAU ET UN GENERATEUR DE DENT DE SCIE DONT LA FREQUENCE DE RESONANCE EST ASSERVIE AU DEPHASAGE NON RECIPROQUE. APPLICATION NOTAMMENT A LA MESURE DES VITESSES DE ROTATION ET A LA MESURE DE COURANTS.

Description

DISPOSITIF DE MESURE D'UN DEPHASAGE NON RECIPROQUE

ENGENDRE DANS UN INTERFEROMETRE EN ANNEAU

La présente invention se rapporte à un dispositif de mesure d'un déphasage non réciproque engendré dans un interféromètre optique en anneau. Un tel interféromètre comporte principalement une source d'énergie lumineuse généralement constituée par un laser, un dispositif optique formant guide d'onde constitué soit d'un certain nombre de miroirs, soit d'une fibre optique enroulée sur elle-même, un dispositif de séparation et de mélange de la lumière et un dispositif de détection et de traitement du signal détecté. Deux ondes issues du dispositif séparateur parcourent en sens

opposé le dispositif optique formant guide d'onde.

Une propriété fondamentale des interféromètres en anneau est la réciprocité; toute perturbation du trajet optique affecte semblablement les

deux ondes.

Il existe, cependant, deux types de perturbations qui affectent cette réciprocité. Il s'agit, cd'une part, des perturbations qui varient dans un laps de temps comparable aux temps de propagation des ondes le long du chemin optique de l'interféromètre, et d'autre part, les perturbations, dites "non réciproques", n'ayant pas le même effet sur les ondes selon qu'elles se

propagent dans un sens ou dans l'autre le long du chemin optique.

Certains effets physiques détruisent, en effet, la symétrie du milieu dans lequel se propagent les ondes; notamment l'effet Faraday, ou effet magnéto-optique colinéaire, par lequel un champ magnétique crée une orientation préférentielle du spin des électrons d'un matériau optique, cet effet est mis à profit pour réaliser des dispositifs de mesure de courant, et l'effet Sagnac, ou effet inertiel relativiste, dans lequel la rotation de l'interféromètre par rapport à un rapport Galliléen détruit la symétrie du

temps de propagation. Cet effet est mis à profit pour réaliser des gyro-

mètres. En l'absence de perturbations "non réciproques", la différence de phase Lt entre les deux ondes qui se recombinent dans le dispositif de séparation et de mélange, après avoir parcouru le chemin optique, est nulle. Le dispositif de détection et de traitement prend en compte des signaux

représentant la puissance optique de l'onde composite obtenue après recom-

binaison. Si on désire mesurer des perturbations de faible amplitude; par exemple, dans le cas de gyromètres, des faibles vitesses de rotation, la composante due à l'apparition de perturbations réciproques varie peu puisque le déphasage AL est proche de zéro. Il est alors nécessaire d'introduire, artificiellement, un déphasage supplémentaire fixe ou "biais non réciproque" pour augmenter la sensibilité de la mesure. Mais ce procédé se heurte à des difficultés de réalisation notamment au niveau de la stabilité: l'instabilité des dispositifs de l'art connu est, en général, du même ordre de grandeur que les variations de la grandeur à mesurer. Des méthodes visant à obtenir une plus grande stabilité de ces dispositifs ont été proposées, mais l'amélioration de la sensibilité de la mesure est plus faible que celle espérée; la sensibilité maximale théorique étant déterminée par les calculs de limite due au bruit quantique. Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un procédé permettant de déplacer le point de fonctionnement d'un interféromètre en anneau. Ce procédé permet alors l'amélioration de la sensibilité de mesure d'un effet physique introduisant des perturbations "non réciproques" de faible amplitude. En outre, il ne nécessite pas une grande stabilité de

phénomènes mis en jeu.

Ce procédé est d'une application particulièrement commode aux interféromètres à très long trajet, par exemple à fibre optique, utilisés pour la mesure de taux de rotation ou de courants électriques. De plus, l'invention présente sur les autres procédés de l'art connu les avantages suivants: la dérive de l'électronique d'exploitation ne limite pas la stabilité de la mesure, ce procédé permet de travailler au point de sensibilité maximum, la méthode de zéro utilisée linéarise la réponse sinusoïdale de l'interféromètre et le signal de sortie est une fréquence proportionnelle à l'amplitude de

déphasage à mesurer: son intégration s'effectue sans dérive par comptage.

L'objet de l'invention -est donc un dispositif interférométrique optique destiné à mesurer un déphasage non réciproque subi par deux rayonnements circulant en sens opposés dans un guide d'onde en anneau, ce dispositif

comprenant une source lumineuse monochromatique, des moyens photo-

détecteurs de l'interférence de ces rayonnements et des moyens optiques séparateurs et mélangeurs reliant directement les extrémités de ce guide

d'onde à cette source lumineuse et à ces moyens photodétecteurs, carac-

térisé en ce qu'il comprend des moyens de déphasage optique à commande électrique agissant sur ces rayonnements; un oscillateur délivrant une

tension périodique de 1/2 T; T étant le temps mis par chacun des rayon-

nements pour parcourir le chemin défini par l'anneau; un générateur de dents de scie à pente réglable; un détecteur synchrone recevant sur l'une de ses entrées cette tension périodique et relié par son autre entrée à ces moyens photodétecteurs; la sortie de ce détecteur synchrone étant reliée à l'entrée de commande de pente de ce générateur de dents de scie; l'excursion de phase produite par cette dent de scie étant sensiblement égale à 2 'I; la fréquence de résonnance de cette dent de scie étant asservie au déphasage non réciproque; cette tension périodique et cette tension en

dents de scie étant superposées à l'entrée de ces moyens de déphasage.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à

l'aide de la description qui suit et des figures annexées

- la figure I illustre schématiquement un interféromètre en anneau; - la figure 2 est un diagramme illustrant un aspect particulier de l'interféromètre en anneau; - la figure 3 illustre schématiquement une amélioration de l'art connu apportée à l'interféromètre en anneau; - les figures 4, 5, 6 et 7 sont des diagrammes illustrant cette amélioration; la figure 8 illustre schématiquement un dispositif mettant en oeuvre le procédé de l'invention; - les figures 9, 10, 11 et 12 sont des diagrammes explicatifs du fonctionnement du dispositif selon l'invention - les figures 13 et 14 sont des exemples de réalisation du dispositif

mettant en oeuvre le procédé de l'invention.

La figure I représente schématiquement un interféromètre en anneau de l'art connu. Une source laser S envoie un faisceau de rayons parallèles 1 vers un dispositif séparateur constitué par une lame semi-transparente M. Un certain nombre de miroirs M1, M2e M3 définissent un trajet optique formant l'anneau de l'interféromètre. Cet anneau peut être réalisé par exemple à l'aide d'une fibre optique monomode; en effet la sensibilité de la mesure est accrue grâce à l'utilisation d'un parcours optique long. Cet anneau est rebouclé sur le dispositif séparateur M -qui joue également le rôle d'un dispositif mélangeur et définit ainsi une branche de sortie 3. L'anneau est, donc, parcouru par deux ondes se propageant en sens inverses: l'une dans le sens horaire (sens 2), l'autre dans le sens anti-horaire (sens 1). Ces deux ondes se recombinent sur la lame séparatrice M. Le résultat de cette recombinaison peut être observé dans la branche de sortie 3 à l'aide du détecteur D. Une partie des faisceaux est reprise dans le bras d'entrée par la lame séparatrice M, et retraverse le dispositif de filtrage F. A la sortie les deux ondes se recombinent sur la lame séparatrice M'. Le résultat de cette recombinaison peut être observé dans la branche de sortie 4 à l'aide du détecteur D'. Si l'on considère cette branche de sortie 4, le fait d'intercaler le dispositif de filtrage F dans le bras d'entrée de l'interféromètre rend celui-ci strictement réciproque; il est, alors, parcouru par une onde contenue dans un seul mode optique. Ce dispositif de filtrage est réalisé par un filtre de mode suivi d'un polariseur. En effet le faisceau incident 1 traverse ce filtre et la fraction qui en sort est en mode unique. On peut donc soit considérer le faisceau émergeant 3 correspondant à l'interférence des deux faisceaux n'ayant pas retraversé le dispositif de filtrage de mode, mais on peut aussi considérer la partie des faisceaux qui est reprise dans le bras d'entrée par la lame semi-transparente M. Cette partie des faisceaux retraverse le dispositif de filtrage P. A sa sortie les deux faisceaux que l'on envoie dans le bras 4 au moyen de la lame semi-transparente M' sont contenu dans le même mode, ce qui rend l'interféromètre insensible aux

perturbations "réciproques".

Soit Ao est la différence de phase entre les deux ondes qui se propagent en sens inverse dans l'anneau et PS la puissance optique de sortie que l'on peut mesurer dans la branche de sortie 4, en l'absence de

perturbation "non réciproque" Ao est nul.

Si à titre d'exemple non limitatif on considère un gyromètre mettant en oeuvre un interféromètre en anneau, une perturbation "non réciproque" va être créée par la mise en rotation du gyromètre. La différence de phase M n'est plus nulle et l'on a A = oS o n est la vitesse de rotation et a -k L o k est une constante dépendant de la géométrie du gyromètre, L la longueur du parcours optique, X la longueur donde de la lumière émise par la source laser S, et C la vitesse de la lumière dans l'anneau 2. Lorsque la vitesse de rotation S2 augmente, la différence de phase Ad augmente dans les mêmes proportions car le coefficient a reste constant. La puissance optique P5 évolue selon une loi cosinusoTdale. En effet Ps = PIS + P2S + 2 VPIS P2S Cos (A) ou PIS correspond au sens 1 et P2S au sens 2. La sensibilité de la mesure

pour une valeur Ai donnée est exprimée par la dérivée de Ps-

dP = -2 V s (

S = 2 vpIS P2S sin (MI).

La sensibilité de i'interféromètre est très faible si la différence de phiase Lb est peu différente de zéro. C'est le cas dans un gyromètre si on désire mesurer de faibles vitesses de rotation i. La variation de la puissance optique dans la branche de sortie est illustrée par de diagramme de la figure 2. On peut considérer les termes PIs et P2S égaux. Il s'en suit que pour une différence de phase M. = r, la puissance détectée est minimum. Elle

passe par un maximum PSmax pour MD = o et pour 2r et ainsi de suite.

Pour augmenter la sensibilité de l'interféromètre on peut introduire un biais "non réciproque" constant dans la phase des deux ondes circulant en

sens inverses de façon à déplacer le point de fonctionnement de l'inter-

féromètre. Dans le cas dune fonction variant selon une fonction cosinusoTdale, le point de plus haute sensibilité est obtenu par les angles de (2K + 1) -/2, avec K nombre entier. On peut donc choisir un biais introduisant une variation de phase sur chaque onde en valeur absolue de Wr/4 mais de signes contraires. En l'absence de perturbation "non réciproque" la différence de phase devient alors db ' = i + M o avec M o = 1/2

on se place alors au point P5o de la figure 2.

On peut comme illustré sur la figure 3 introduire alors sur le parcours des ondes dans l'anneau 2, un modulateur de phase mettant un jeu un effet réciproque. Ce modulateur est excité de façon à créer une variation de phase de l'onde qui le traverse. Cette variation est périodique, sa période étant égale à 2 T o T est le temps de parcours d'une onde dans l'anneau La différence de phase devient alors A': = A + (t)_-(t-T) ou chacune des ondes circulant en sens inverse subit ce déphasage lorsqu'elle traverse le modulateur avec

I (t) = (t + 2 T).

Les figures 4 et 5 représentent l'effet d'une modulation de phase par une fonction symétrique 4(t). Le point de fonctionnement décrit la courbe PS = f(AD) de la figure 2 de façon symétrique entre un couple de points extrêmes. Le premier couple, sur la figure 4 représente le cas o la rotation à mesurer est nulle, il se réduit aux deux valeurs - Â/2, + IT2; le second couple sur la figure 4 représente le cas ou la vitesse à mesurer n'est plus nulle et il se traduit par une valeur D o de la différence de phase; il est représenté par les valeurs

(-r/2 + A4o) et (+7r/2 + abo).

Pour ce faire, on peut appliquer un déphasage réciproque (t) de forme

rectangulaire à une extrémité du trajet optique.

Comme illustré sur la figure 7, le signal varie entre deux valeurs: (o et %o + n/2. Si nous nous plaçons dans le cas le la figure 4, c'est-à-dire avec

= o, au signal détecté précédemment on va ajouter du fait de l'intro-

duction de 4(t) une composante 4(t)- e(t- T) avec cw et %ccw les dépha-

sages résultants des deux ondes qui vont interférer, comme illustré aux figures 6 et 7 (partie de gauche). Le déphasage entre ecw et ccw est alors

un déphasage purement réciproque. 4ccw - cw est alors un signal rectan-

gulaire variant entre + r/2 et - 7r/2.

Par contre si nous nous plaçons dans le cas de la figure 5, c'est-à-dire avec = s, au- signal détecté précédemment, on va ajouter du fait de l'introduction de (t) une composante V'ccw - 4'cw qui n'est plus centrée par rapport à O. En effet au déphasage réciproque précédent s'ajoute un déphasage non réciproque M. Par rapport au cas précédent o Q = o, on a 4'(t) = b(t) + AD/2 et 4'(t-T) = V'(t) - A4/2 ainsi <'(t) - '(t-T) = (t) D(t-T) + A. cw et óccw sont les déphasages résultants de chacune des deux ondes qui parcourent la boucle en sens inverses. Iccw cw est donc un signal rectangulaire dont la valeur moyenne est décalée de AO par rapport à l'axe des temps. La figure 8 représente un mode de réalisation de l'interféromètre selon l'invention, des modulateurs de phase étant prévus sur le parcours de l'anneau de cet interféromètre, de telle sorte que la mesure de vitesse soit plus précise. Sur cette figure 8 on retrouve l'interféromètre de Sagnac avec son anneau 2, avec la création du signal de modulation de phase ' (t); le modulateur de phase étant intercalé dans l'anneau 2. Le signal qui sort du détecteur D' est envoyé sur un ampli synchrone piloté par un oscillateur de fréquence 1/2T qui délivre un signal périodique D1(t). On désignera par la suite l'ensemble détecteur + ampli synchrone sous le vocable détecteur synchrone. Le signal issu de ce détecteur synchrone attaque la commande de

pente a du générateur de dents de scie 22 par Pl'intermédiaire d'un amplifi-

cateur d'asservissement de type P.I.D. 26. Ce générateur de dent de scie a

sa sortie '2 combinée avec celle de l'oscillateur 21 1 attaque le modula-

teur de phase À. Une logique de détection de seuil 23 permet de faire retomber la dent de scie. Cette détection s'effectue par rapport à une référence qui peut être par exemple une tension Vref. Cette référence peut être régulée, en effet le signal détecté est de la forme Cos2, il doit, donc, rester le même avant et après la retombée de la dent de scie. Ainsi la comparaison des signaux de références, par exemple des tensions, à ces deux

instants permet, à l'aide du comparateur 25 de réguler la référence 24.

La mesure effectuée sur le détecteur correspond à une intensité

1 = 1o Cos2 (M/2).

Si M) est le déphasage non réciproque subi par la lumière parcourant

l'interféromètre, le signal électrique du détecteur, proportionnel à l'inten-

sité optique détectée sera: I " Cos2(AD/2) la sensibilité de cette mesure est maximum pour AM (2k+l) ir/4, mais est nulle pour MA - Kit et en particulier autour de Ab = o. Parmi les différents procédés permettant de déplacer le point de fonctionnement vers la position (2K+I) [/2 de façon à travailler dans une zone linéaire et sensible, les plus commodes, comme nous venons de le voir, utilisent la sensibilité de l'interféromètre aux variations réciproques de phase dont

l'amplitude varie notablement pendant le temps de transit dans l'inter-

féromètre. Si T est le temps de transit dans l'interféromètre et si on applique un déphasage réciproque D(t) à une extrémité du trajet optique en anneau, le signal détecté devient:

I cos2 ( + D (t) - I (t-T).

2

En introduisant sur le parcours des ondes un modulateur de phase mettant en jeu un effet réciproque: élasto-optique ou électro-optique par exemple, on peut faire varier périodiquement la phase de l'onde. Dans la présente invention la perturbation @(t) sera composite; formée de la somme de deux signaux: un signal périodique Il(t) de période 2 T et une rampe linéaire I2(t) modulo 27r; T étant le temps de parcours d'une onde dans l'anneau. Ainsi D(t) = l 1(t) + 2(t) avec Dl(t+2T)= Il(t) et I(t) = at - 2r E() at at E(at) étant la partie entière de -, a étant donc la pente de la dent de scie. Ainsi Cos2 MA + aT + l(t)- l(t-T) Ainsi I - Cos ( Si on appelle 'Y (t)= l(t) - 1 (t-T), du fait de la périodicité de l(t), la fonction IF (t) est symétrique, avec

(t+2) = F(t) et 'Y(t+T) = -b(t).

Cos2 étant une fonction paire, la composante du signal I de période 2T en phase avec l (t) est d'amplitude nulle si et seulement si Ad + aT = o, et cette composante est d'amplitude algébriquement proportionnelle à l'erreur &D + aT lorsque celle-ci est faible. En effet si nous considérons la figure 9; à un signal 0 = AI + aT + T(t) en entrée correspond un signal détecté I déformé. Il pourrait être décompsé en deux signaux de fréquence I/T et 1/2T. Par contre si nous considérons la figure 10, différente de la figure 9 en ce que M + aT o. A un signal d'entrée 0 ='Y (t) correspond un signal détecté I de fréquence 1/T. Le résultat de la détection synchrone a alors une

valeur moyenne nulle.

Nous avons considéré sur ces deux figures 9 et 10 Y (t) sinuso!dal, à

titre d'exemple non limitatif.

On utilise donc l'amplitude de cette composante A + crT comme signal d'erreur pour asservir le coefficient a de la fonction $2 ainsi: ac = L T: La fréquence de relaxation de $2(t) est alors F($2)= 2. Cette fréquence constitue le signal de mesure du déphasage non réciproque, le sens

dans lequel s'effectue la relaxation donne le signe du déphasage.

Bien que le procédé fonctionne quelque soit la forme et l'amplitude de la fonction! (t), deux formes avantageuses sont: - la fonction sinusoTdale: $l(t) = 0,81 sin ({t)

1 T

ou - la fonction rectangulaire: 01(t) =o si tEj2KT, (2K+I)T] 1(t) = ff4 si t EE2K+1)T, (2K+2)Ti les amplitudes de ces deux fonctions ont été choisies pour maximiser le

signal détecté, et pour assurer la linéarité pour de petits signaux.

Ces deux fonctions sont faciles à engendrer, elles demandent une

bande passante limitée, et leur amplitude correspond à une valeur avan-

tageuse du rapport signal à bruit de la méthode de zéro.

Dans le cas de la figure 7 nous considérons el comme une fonction rectangulaire. Nous avons $1(t), $2(t), (t) = $I(t) + 42(t). Dcw et ccw sont les déphasages résultants de chacun des deux modes qui parcourent la boucle de l'interféromètre en sens inverses. Ces deux signaux sont déphasés entre eux de T dû au déphasage réciproque: le modulateur étant placé en un bout de la boucle. On voit apparaitre aussi la valeur M qui est le déphasage non réciproque. Ce déphasage dans un gyromètre est dû à la vitesse de rotation,

bccw - ccw est le signal résultant auquel est sensible le détecteur.

On retrouve alors la valeur b du déphasage non réciproque et AT que nous

avons défini précédemment.

En effet cw - ecw = + t + 'y (t).

R(t) est une fonction symétrique aussi + aT est la valeur moyenne de ccw cw I est le signal détecté. Son obtention est illustrée à la figure 10. En effet I est proportionnel à Cos2 ( ccw cw). Si nous traçons le signal Co2 nosccw CW

représentant Cos2, nous reconstruisons I en nous déplaçant de A en B..

La différence en ordonnée entre les points A et B étant 2 r d e à

l'amplitude 2 ir de la dent de scie 2' Et comme nous l'avons dit précédem-

ment, on considère un signal I d'amplitude algébriquement proportionnelle à A + aT et ici du fait des signes opposés de MA et de aT, l'amplitude du signal est proportionnelle à aT - M. La relaxation du signal D2(t) doit avoir une amplitude égale à 2r. Dans le cas o le facteur d'échelle du modulateur de phase correspondant n'est pas connu ou est susceptible de dériver dans le temps, il est avantageux

d'asservir cette relaxation à la valeur 2 r.

On utilise tout d'abord un comparateur qui permet la comparaison à une tension Vref correspondant à 2 ir, lorsqu'il y a égalité, une impulsion de

recyclage entraine la retombée de la dent de scie.

On compare, aussi, les signaux détectés à deux instants l'un précédent cette retombée de la dent de scie (comparaisson à une tension Vref-n) et l'autre suivant celle-ci (ligne à retard). S'il y a égalité la valeur Vref est exacte, car elle correspond bien à un déphasage de 21. Sinon, il faut modifier en + cette valeur. En effet la réponse de l'interféromètre reste la même pendant la durée de transit de la discontinuité de relaxation supposée

infiniment raide et en dehors de cette durée.

Si l'on considère la figure 12 la valeur 2 w exacte est devenue 2 r + E,

et les points C et D se sont déplacés en C' et D' sur la courbe I = f(t).

La mesure effectuée selon ce principe présente les avantages sui-

vants: - elle est stable car elle ne dépend que de la précision avec laquelle la relaxation est effectuée et du temps de transit. Elle ne présente aucun phénomène d'offset; - elle est sensible car elle est alors effectuée au voisinage du point de pente maximum; - elle est linéaire grace à l'utilisation de la méthode de zéro

- et enfin, elle est quantifiée, ce qui rend la transmission et l'utili-

l

sation faciles; en particulier l'intégration sans dérive est obtenue simple-

ment par comptage.

Le dispositif (modulateur de phase réciproque) permettant d'introduire la perturbation 1(t)+ D2(t) peut avantageusement être scindé en deux dispositifs situés, soit chacun à une extrémité du trajet, soit tous deux à la même extrémité de ce trajet comme illustré sur la figure 8, et assurant l'un le déphasage 0l(t) et l'autre le déphasage 62(t). En effet i1(t) est un signal à faible amplitude (typiquement 1/4), à haute fréquence (typiquement quelques 100 KHz) à bande étroite (- 0) et dont la précision n'est pas critique. 02 au contraire est un signal à forte amplitude (2ir), à basse fréquence (quelques Hz à quelques KHz), à bande large (DC à quelques KHz) et dont la précision conditionne celle du facteur cdéchelle de la mesure. Ces caractéristiques contradictoires sont plus faciles à satisfaire en deux

dispositifs séparés.

Le ou les dispositifs modulateur de phase peuvent être chacun scindés en deux parties identiques situées symétriquement aux deux extrémités du

trajet optique et excités en opposition. Cette disposition assure une symétri-

sation supplémentaire des phénomènes qui réduit les erreurs du second ordre

provenant d'éventuelles non linéarités des modulateurs.

Il est avantageux pour certaines utilisations d'avancer ou de retarder l'instant de relaxation de la fonction _2(t) pour lui donner une relation de phase fine voulue avec la fonction 4!(t). Tant que l'amplitude de la dent de

scie demeure 2 ir, aucune erreur cumulative n'est introduite sur la mesure.

Lorsque l'incrément M 6 t est trop grand et correspond à une quanti-

fication trop grossière de f M dt, la valeur instantanée de 2(t) permet de lisser cette mesure. L'incrément angulaire donné par l'interféromètre étant 1/2 iT on a f M dt =E (2irT)+[U2(t)]. En particulier dans le cas o on n'atteint le seuil de relaxation à aucun moment de la mesure, la mesure intégrée est donné de façon continue et linéaire par: fMI dt = [E 2(t)]. La digitalisation n'est alors plus possible, mais la méthode de zéro reste valable. Les progrès réalisés dans l'obtention des fibres optiques à faible perte autorisent l'utilisation de fibres optiques pour réaliser ces interféromètres en anneau, comme cela a été dit précédemment. Cela permet cdobtenir un chemin optique 2 très long, et aussi une miniaturisation plus grande des éléments électro-optiques et des modulateurs par intégration. Un exemple de réalisation d'un interféromètre en anneau conforme à l'invention est illustré par la figure 11. La fibre 12 enroulée sur elle-même forme l'anneau 2 de l'interféromètre. Les différentes branches de l'interféromètre sont

réalisées en optique intégrée: des guides d'ondes étant réalisés par intégra-

tion dans un substrat. Le substrat peut être choisi parmi les matériaux suivants: Niobate de lithium ou tantalate de lithium dans lesquels on a fait diffuser, pour réaliser les guides d'onde, du titane ou respectivement du niobium. Le substrat peut, aussi, être choisi en arséniure de gallium dans lequel les guides d'onde ont été réalisés par implantation ionique ou protonique. Le modulateur est décomposé en deux modulateurs 1 et 2

placés aux deux extrémités de la fibre. De façon plus précise, les modula-

teurs mis en oeuvre dans l'invention peuvent mettre à profit différents effets électro-optiques connus tel l'effet Pockels, l'effet Kerr, ce à titre

d'exemple non limitatif.

Deux coupleurs réalisés à l'aide des couples d'électrodes (E1, E2) et (E3, E4) jouent le rôle tenu précédemment par les lames semi-transparentes dans la figure. Le guide monomode 8 joue le rôle du filtre monomode de la figure 1. Un polariseur étant réalisé par métallisation de la surface du

substrat au-dessus du guide 8.

On peut remplacer les deux coupleurs par des séparateurs de rayon-

nements optiques composés de guides d'ondes monomodes reliés entre eux pour former des Y, ces deux Y étant reliés entre eux par une de leurs branches. Cela est réalisé à la figure 12. Un polariseur est réalisé par

métallisation à la surface du substrat au-dessus du guide 8.

L'application la plus importante concerne les gyromètres à fibre optique. Dans ces dispositifs: c X o o o C est la vitesse de propagation de la lumière dans le vide, SO la longueur d'onde de la lumière utilisée dans le vide, [ la surface englobée par une spire de fibre optique, N le nombre de ces spires, le champ de rotation absolu auquel est soumis le dispositif N.P.n o o N et CO sont comme précédemment, P est le périmètre d'une spire et n l'indice équivalent de la fibre utilisée.

On trouve: F - 4-

E2 2-'f7- r- ----

Cette fréquence se trouve être celle du gyro-laser de même dimen-

sions réalisé dans un matériau de même indice et soumis au même champ de

rotation.

Ce résultat permet de substituer un gyrormètre à fibre optique réalisé selon la présente invention à un gyromètre à laser sans modifier en rien le

fonctionnement de l'électronique d'exploitation.

Comme pour le gyro-laser, le gyrometre est transformé en gyroscope en intégrant par comptage-décomptage le signal de sortie chaque relaxation correspondant à un incrément 0i dans la position angulaire absolue du dispositif: I, o. n. P typiquement, le gyromètre à fibre optique est formé de 400 m de fibre optique d'indice équivalent 1,42 enroulé sur un tambour cylindrique de

diamètre 8 cm:' S - 5.10-3 cm2, P _ 0,25 mr, N 1600, T = 1.9 us, F i - 66 KHz/ (Rd/s) _ 0,3 Hz/ (deg/heure), 0i - 15.106 Rd = 3 secondes d'arc.

Une autre application est celle des magnétomètres et sondes de courant à fibre optique. Ces dispositiis utilisent l'effet Faraday qui, dans les bonnes conditions de polarisation crée un déphasage non réciproque A proportionnel à la circulation du champ magnétique le long de la fibre optique: Ad f r. dl la constante de proportionnalité ne dépendant que du matériau dans lequel a lieu l'interaction magnétique optique (fibre optique). Dans le cas ou le trajet optique décrit une boucle fermée dans des conditions uniformes, cette circulation est égale au courant électrique total traversant ce contour fermé: M îxf% 'A d- I

Si plusieurs (N) spires de conducteur optique interagissent avec plu-

sieurs spires (M) de conducteur électrique, ces effets sont accumulés: Al - N. M. I et si la présente invention est appliquée au dispositif: C F cc 0 N.M.I F ó2 2.L.n ' o Co est la vitesse de la lumière dans le vide, L est la longueur totale de la

fibre utilisée, n est son indice équivalent.

Le dispositif ainsi obtenu est un convertisseur "courant/synchro".

L'intégration de la quantité de courant est obtenue comme précédemment par simple comptage-décomptage, l'incrément étant: 2r. L. N Qc Co. N. M Typiquement, la constante de proportionnalité (déduite de la constante de Verdet), est pour une fibre optique de fabrication classique de l'ordre de: Rd/ (A. tour.tour). Si le dispositif est consituté de 100 m de fibre

optique d'indice équivalent 1,42: T= 0,5 liS, et: F 3,5 Hz/ (A.

tour.tour), Q 0,3 C. tour.tour. [ 2] Un tel dispositif présente une souplesse évidente, par exemple: - mesure de courants de quelques 10.000 A: 1 tour de fibre autour d'un

conducteur unique + F 3,5 Hz/A, Q 0,3 C, application: cuves à élec-

trolyse, - mesure de courants de quelques A: 100 tours de fibre autour de 100 tours de conducteur électrique: F 35 KHz/a, Q 3.10-5 C - mesure de courants de quelques mA: 1000 tours de fibre autour de 10.000 tours de conducteur électrique: F - 35 KHz/mA, Q 3.10-8 C.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Dispositif interféromètrique optique destiné à mesurer un déphasage non réciproque subi par deux rayonnements circulant en sens opposés dans un guide d'onde en anneau, ce dispositif comprenant une source lumineuse monochromatique (S), des moyens photodétecteurs de l'interférence de ces rayonnements (D, D') et des moyens optiques séparateurs et mélangeurs (M, M') reliant directement les extrémités de ce guide d'onde à cette source

lumineuse et à ces moyens photodétecteurs, caractérisé en ce qu'il com-

prend des moyens de déphasage optique ' à commande électrique agissant sur ces rayonnements; un oscillateur (21) délivrant une tension périodique de fréquence 1/2T; T étant le temps mis par chacun des rayonnements pour parcourir le chemin défini par l'anneau; un générateur de dents de scie à pente réglable (22); un détecteur synchrone recevant sur l'une de ses entrées cette tension périodique et relié par son autre entrée à ces moyens photodétecteurs; la sortie de ce détecteur synchrone étant reliée à l'entrée de commande de pente de ce générateur de dents de scie; la fréquence de

résonnance de cette dent de scie étant asservie au déphasage non réci-

proque; cette tension périodique et cette tension en dents de scie étant

superposées à l'entrée de ces moyens de déphasage.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'excursion

de phase produite par cette dent de scie est sensiblement égale à 2Ir.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction

périodique modulant la phase des ondes représente des signaux en crénaux.

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction périodique modulant la phase des ondes représente des signaux sinusoïdaux

ou cosinusoTdaux.

5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscil-

lateur délivrant la tension périodique et le générateur en dent de scie,

mettent en jeu un effet électro-optique.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes,

caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de filtrage permettant de sélectionner un mode particulier parmi tous les modes susceptibles de se

propager dans la boucle et d'arriver sur le dispositif de détection.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de filtrage comprennent un filtre de mode et un polariseur ne transmettant

qu'un seul mode.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes

pour un interféromètre dont l'anneau est formé par une fibre optique et la source crd'énergie (S), les moyens de séparation et de mélange des ondes et les moyens de détection (D') sont entièrement réalisés en milieu solide par intégration sur un substrat (Sb), sur lequel ont été réalisés deux guides d'onde ((7, 9) couplés et reliés en une de leur extrémité, respectivement à la source d'énergie (S) et deux moyens de détection (D) et en leurs autres

extrémités (10) aux extrémités de la fibre optique (12); dispositif carac-

térisé en ce qu'il comporte, intégrée sur le substrat (Sb) au moins une paire d'électrodes (E1l, E12) disposées de part et d'autre de l'un des deux guides d'onde (10) pour former un modulateur de phase (D) à effet électro-optique

les électrodes recevant le signal de commande (Ve).

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de séparation et les moyens de mélange des ondes sont réalisés par intégrations de guides d'ondes sur un substrat, ces guides d'ondes ayant la

forme de deux Y reliés entre eux par une de leurs branches.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, carac-

térisé en ce que le substrat (Sb) est choisi parmi les matériaux suivant: Niobate de Lithium ou Tantalate de Lithium dans lequels on a fait diffuser,

pour réaliser les guides d'onde, du Titane ou respectivement du Niobium.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, carac-

térisé en ce que le substrat (Sb) est en arséniure de gallium dans lequel les

guides d'ondes ont été réalisés par implantation ionique ou protonique.

12. Gyromètre, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif inter-

férométrique en anneau tel que décrit selon l'une quelconque des revendi-

cations précédentes.

13. Dispositif de mesure de courant, caractérisé en ce qu'il comporte

un dispositif interférométrique en anneau tel que décrit selon l'une quel-

conque des revendications 1 à 1I.