FR2555769A1 - Dispositif optique convertisseur de frequence et gyrometre comprenant un tel dispositif - Google Patents

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE A UN DISPOSITIF CONVERTISSEUR DE FREQUENCE REALISE EN OPTIQUE INTEGREE. L'INVENTION A POUR OBJET UN DISPOSITIF DANS LEQUEL LE COUPLAGE ENTRE LES GUIDES D'ONDE 5, 6 EST REALISE PAR L'INTERMEDIAIRE D'UN RESEAU ACOUSTIQUE FORME PAR UNE ONDE ACOUSTIQUE 12 QUI SE PROPAGE COLINEAIREMENT A L'ONDE OPTIQUE VEHICULEE DANS L'UN DES GUIDES D'ONDE. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT AU DOMAINE DU GYROMETRE.

Description

DISPOSITIF OPTIQUE CONVERTISSEUR DE FREQUENCE ET GYROMETRE

COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF.

L'invention concerne un dispositif convertisseur de fréquence en

optique intégré.

Les convertisseurs de fréquences en optique classique sont bien connus. Le convertisseur de fréquence le plus généralement utilisé est certainement celui basé sur l'intéraction acoustooptique. Dans cette métho- de un réseau acoustique se propageant dans un milieu crée des variations

périodiques de l'indice de réfraction sous la forme d'une onde progressive.

Ce réseau en mouvement diffracte la lumière. Si la longueur d'interaction est suffisante, un seul ordre peut être prédominant. Dans l'ordre diffracté (w D) la fréquence w de l'onde optique a été modifiée d'une quantité égale à

la fréquence 12 de l'onde acoustique.

Ainsi wD = + 1 La rejection de la fréquence fondamentale peut être excellente car

l'onde convertie et l'onde directe (non diffractée) sont alors séparés spatia-

lement.

On peut alors étudier ce qu'il en est en optique intégrée. On désigne sous ce norm des structures monolithiques en couches minces destinées au traitement des signaux lumineux qui sont obtenues par des techniques de dépôt, diffusion et gravure par masquage, analogues à celles utilisées dans la réalisation des circuits intégrés électroniques. On sait notamment, par ces techniques, réaliser des structures linéaires caractérisées par un indice de réfraction supérieur à celui du milieu environnant, et formant des guides d'ondes au long desquels la lumière se propage par une suite de réflexions totales ou de réfractions progressives. Il est- connu d'associer deux tels guides d'ondes en les disposant parallèlement l'un à l'autre sur une partie de

leurs parcours pour réaliser des coupleurs directionnels; grâce au phénomè-

ne d'onde évanescente, l'énergie véhiculée dans le premier guide passe progressivement dans le second guide, et l'on observe un maximum de l'énergie transférée au bout d'une certaine longueur dite longueur de

couplage qui dépend des paramètres géométriques et optiques de la structu-

re, et notamment de la valeur des indices de réfraction des matériaux constituant les deux guides et du milieu qui les sépare, puis l'énergie repasse progressivement du second guide dans le premier et ainsi de suite. Il est également connu, en utilisant pour l'un des matériaux constituant les guides, ou le milieu qui les sépare, un matériau électro-optique, d'en faire varier l'indice sous l'action d'un champ électrique, ce qui permet, en agissant sur la longueur de couplage, de commander électriquement la portion d'énergie transférée d'un guide dans l'autre; on voit qu'il est également possible de réaliser un modulateur de lumière en disposant parallèlement au guide qui véhicule l'onde lumineuse un tronçon de guide dans lequel on transfèrera une

portion plus ou moins grande de cette énergie.

De plus, il existe des convertisseurs de fréquence destinés à engendrer, à partir d'un rayonnement électromagnétique guidé de fréquence w, un rayonnement électromagnétique guidé dont la fréquence est multiple de la fréquence w. Ces convertisseurs sont notamment utilisés dans le domaine de l'optique intégrée, ainsi désignée par analogie avec les circuits électroniques intégrés qui sont des structures monolithiques mettant en oeuvre des

couches minces.

Des convertisseurs du type décrit précédemment ont déjà été réalisés en optique intégrée mais ils nécessitent l'emploi d'un guide d'onde plan et ceci n'est pas applicable aux microguides. Des techniques utilisables avec des microguides ont déjà été proposées dans lesquelles on peut utiliser une modulation électrooptique; ce qui peut être alors tun système serrodyne ou modulateur équilibré; Un tel convertisseur optique de fréquence comprend un guide d'onde utilisé en modulateur de phase et commandé par un signal ayant la forme d'une dent de scie. Un tel signal a les mêmes effets qu'une

rampe en tension qui permet une variation de l'indice en fonction du temps.

Ce peut être aussi une modulation acoustique dans laquelle une onde du type

TE est convertie en une onde de type TM avec un changement de fréquence.

Dans ce cas l'application d'un champ électrique transverse permet de

modifier la bande passante d'un convertisseur acousto-optique de mode TE-

TM par l'intéraction colinéaire d'ondes acoustiques de surface et d'une onde

optique guidée.

Ces deux techniques présentent plusieurs inconvénients

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- Les deux ondes se propagent dans le même guide (onde translatée en fréquence et onde fondamentale) ce qui peut poser des problèmes de

séparation entre celles-ci.

- Dans certains cas l'efficacité de la conversion est très liée à la forme d'onde (cas du translateur serrodyne) - Dans le cas d'une convertion TE TM l'un des problèmes que l'on peut rencontrer est l'extrême sensibilité du dispositif avec la longueur d'onde (variation de /}KTE - B/KTM) qui peut d'ailleurs permettre d'utiliser ce

type de dispositif comme un filtre.

Le dispositif de l'invention permet de pallier ces inconvénients. En effet dans ce dispositif les ondes converties et non converties sont séparées spatialement, car la diaphonie est liée a des paramètres géométriques simples et peut être arbitrairement diminuée. - De plus les deux ondes conservent la même polarisation. En outre ce dispositif peut être étendu et

utilisé dans le cas o l'on désire réaliser des filtres en fréquences.

L'inventionr a pour objet un dispositif optique convertisseur de fréquen-

ces comportant un substrat plan réalisé en un premier matériau, et au moins deux guides d'ondes de caractéristiques différentes, dont l'un reçoit une onde incidente, disposés à la surface de ce substrat, ces guides d'onde étant parallèles entre eux sur une longueur prédéterminée et séparés par une distance telle que le rayonnement de l'onde incidente soit tranférable d'un guide d'onde à un autre, caractérisé en ce que ce dispositif comporte des moyens de génération d'une onde acoustique colinéaire à l'onde incidente véhiculée par l'un des guides; ces moyens de génération étant disposés entre

les deux guides d'onde de manière à réaliser ladite conversion de fréquence.

Elle a, en outre pour objet un gyromètre comprenant un tel dispositif.

D'autres caractéristiques et avantages apparaitront dans la description

ci-après, en référence aux figures annexées ou: - les figures I à 3 illustrent un dispositif de l'art connu - la figure 4 illustre le dispositif selon l'invention; - la figure 5 illustre un dispositif de l'art antérieur - les figures 6 et 7 illustrent un système comprenant le dispositif de l'invention.

- la figure 8 illustre une variante de ce système.

Les figures 1 et 2 représentent respectivement une vue en coupe et une vue de dessus d'un commutateur réalisé en optique linéaire. Les deux guides d'ondes lumineuses 1 et 2 sont insérés dans le substrat 3; le matériau par l'intermédiaire duquel s'effectue le couplage est celui constituant la substrat 3. Pour implanter les guides 1 et 2, il est possible, à titre d'exemple, de faire diffuser du titane dans un substrat constitué d'une plaquette monocristalline de niobate de lithium (Li Nb 03) . Le titane, dans la zone de diffusion, se substitue partiellement au niobium pour donner un composé mixte de formule Li Tix Nb I-x 03 présentant un indice de réfraction supérieur à celui du niobate pur; ces zones diffusées, d'indice supérieur à celui du substrat, constituent les guides d'ondes 1 et 2. Si la température de diffusion est supérieure au point de Curie du matériau, on profite de la phase de refroidissement consécutive pour soumettre la

plaquette à un champ électrique uniforme, de façon à polariser uniformé-

ment la plaquette et à créer ainsi une structure "mono-domaine".

Lorsqu'une tension est appliquée entre les électrodes 10 et 20, il se crée une distribution des lignes de champ. montrée sous la référence 4 par la figure 1. La composante du champ suivant la direction C perpendiculaire à la surface 23 du substrat a dans l'un et l'autre guide, même valeur absolue et direction opposée, entrainant des variations de l'indice de réfraction de même valeur absolue et de signes contraires. Néanmoins, l'existence suivant une direction perpendiculaire à la direction de l'axe C du substrat, qui porte son indice extraordinaire, d'une composante du champ non nulle, ainsi que le fait que le champ électrique appliqué fait également varier la valeur de l'indice dans la partie du substrat 22 comprise entre les deux guides entraine une certaine dissymétrie du phénomène: le couplage obtenu varie suivant la polarité de la tension appliquée entre les électrodes 20 et 21. La polarité de la tension fournissant le couplage maximum peut se déduire de l'orientation cristallographique du matériau composant le substrat. Si cette orientation est inconnue, il est extrêmement aisé de déterminer expérimentalement la polarité optimale par une mesure de l'intensité lumineuse transmise par un

des guides pour deux polarités de signes contraires.

À* ' Si les électrodes métalliques sont disposées directement à la surface des guides, l'existence d'une onde évanescente se propageant dans le milieu métallique, relativement absorbant, peut entrainer des pertes d'énergie dans le coupleur. Pour les éviter, il est possible d'intercaler, comme représenté dans la figure 1 une couche diélectrique transparente 11 et 21 entre les guides 1 et 2 et les électrodes 10 et 20. Cette couche isolante est réalisée dans un matériau présentant une bonne transmission pour la longueur d'onde lumineuse véhiculée par le guide, et un indice de réfraction inférieur à celui du guide. La silice (SiO2) constitue un matériau parfaitement adapté dans le cas précédemment décrit o le substrat est constitué par du niobate de lithium. Ces deux guides comme le montre la figure 2, sont parallèles entre eux sur une partie rectiligne de longueur L, fonction du paramètre dit longueur de couplage qui sera défini ultérieurement; la distance entre les parties parallèles rectilignes présente une valeur d qui ne doit pas excéder quelques longueurs d'onde (calculée dans le milieu qui sépare les deux guides) de la lumière véhiculée par les guides. Les deux guides sont constitués par un mrnme matériau électro-optique qui, soumis à un champ électrique, possède

un indice de réfraction variable en fonction de la valeur du champ appliqué.

L'indice de réfraction de ce matériau est ainsi choisi que, même en présence du champ électrique appliqué, il demeure supérieur à l'indice du matériau

constituant le substrat 3.

Du fait du caractère électro-optique du matériau constituant les guides 1 et 2, la distribution des lignes de champ dans les guides produit au sein de ceux-ci des variations de l'indice de réfraction sensiblement égales

en valeur absolue, mais de signes contraires.

Or, lorsqu'une onde est véhiculée par un guide, une partie de l'énergie se propage en dehors du guide, dans le milieu qui l'entoure sous forme d'une onde évanescente; l'amplitude de cette onde décroit exponentiellement lorsque l'on s'éloigne des parois du guide. Si un second guide est disposé parallèlement au premier, il capte progressivement, par le biais de cette onde évanescente, l'énergie véhiculée dans le premier guide, et ceci d'autant plus rapidement que les deux guides sont plus rapprochés. Au bout d'une distance donnée, dite longueur de couplage, qui dépend à la fois des paramètres géométriques et optiques des deux guides et du milieu qui les sépare (et notamment des indices de réfraction), un maximum d'énergie a été transférée du premier guide dans le second; au delà de cette longueur, le phénomène inverse se produit: l'énergie se transfère progressivement du second guide dans le premier, jusqu'à atteindre une valeur minimale dans le second guide; toute modification de l'indice d'un des milieux en présence agit évidemment dans un sens ou dans l'autre, sur la longueur de couplage. Dans le dispositif représenté par les figures 1 et 2, la longueur L peut être choisi égale à la longueur de couplage en l'absence de ce champ électrique appliqué. Du fait de la parfaite symétrie des deux guides dans la zone de couplage, le transfert d'énergie est total du premier vers le second guide ( ou du second vers le premier). L'application d'une tension entre les électrodes 20 et 21 diminue la longueur de couplage, et une partie de l'énergie est retransférée du second guide vers le premier (ou du premier vers le second). Le résultat global est alors qu'au fur et à mesure de l'augmentation de la tension, l'énergie transférée du premier guide vers le second, (ou du second vers le premier), mesurée à l'extrémité de la zone de couplage, diminue jusqu'à atteindre une valeur nulle. Le couplage entre les deux guides décroit ainsi de 100 % à 0 % lorsque la tension appliquée aux électrodes croît. Le résultat serait identique si l'on donnait à la longueur L une valeur égale à un multiple impair de la longueur de couplage sous un

champ nul.

Il est également possible de donner à la longueur L une valeur égale à un multiple pair de la longueur de couplage sous un champ nul. L'énergie transférée à la sortie, d'un guide à l'autre, croît alors à partir de zéro,

lorsque la tension appliquée entre les électrodes croît à partir de zéro.

On a ainsi réalisé un dispositif qui, sur commande d'un signal électri-

que, permet de commuter partie ou totalité de l'énergie véhiculée par un

guide vers l'autre guide qui lui est associé dans la zone de couplage.

Il va alors de sol que si l'on limite l'un des deux guides à un tronçon ayant comme longueur minimale la longueur L de la -zone de couplage, ce

dispositif permet de moduler à 100 % l'énergie véhiculée par l'autre guide.

Dans -les cas o les deux guides sont différents une structure périodi-

que réalisée entre ces deux guides peut permettre d'augmenter les échanges entre ceux-ci. En effet lorsque l'onde véhiculée dans un guide a la même vitesse de propagation que l'un des ordres diffractés dans l'autre guide il y a

alors échange d'énergie.

Pour réaliser cet échange plusieurs moyens peuvent être utilisés notamment la création d'un champ électrique entre deux électrodes par exemple de structures périodiques 18 et 29 déposées de part et d'autre des deux guides d'onde 5 et 6 comme représenté à la figure 3. Une onde lumineuse 24 se propageant dans le premier guide crée par couplage du à la présence d'une polarisation VO, une onde couplée 25 qui va se propager dans le second guide 6. Ce peut être aussi la réalisation d'un réseau gravé dans le substrat entre les deux guides d'onde. Dans le dispositif de l'invention il y a création d'ondes acoustique 12, par des électrodes 13,14 ayant la forme de peignes interdigités, aux bornes desquelles est branché un générateur V, qui

se propagent entre les deux guides d'onde comme représenté à la figure 4.

Mais les électrodes peuvent être déposées sur une couche mince 26 d'un matériau piézoélectrique par exemple de l'oxyde de zinc (Zn 0) déposée, elle même, sur le substrat 3 composé d'un autre matériau, par exemple de la silice. Mais la couche mince 26 peut être réalisée dans un même matériau que le substrat par exemple en quartz cristallin, en arsenuire de gallium, o

en niobate de lithium.

Le dispositif selon l'invention présente Pavantage de permettre un réglage du couplage entre les deux guides 5 et 6 qui est fonction de la fréquence des ondes acoustiques. En effet ce déflecteur acoustooptique permet une translation en fréquence: Les ondes lumineuses véhiculées par un des guides 5 puis diffractées par ces ondes acoustooptiques sont alors converties en fréquence et transmises dans le second guide 6. Ces deux

guides n'ont, d'ailleurs pas nécessairement la même largeur.

En effet si l'on considère un milieu 30 dans lequel se propage un faisceau d'ondes élastiques 31 de fréquence f, comme représenté à la figure , si un faisceau lumineux incident 32 est envoyé sur ce milieu, on obtient un ensemble 33 de faisceaux diffractés de fréquences F + kf; k étant un

nombre entier positif ou négatif.

En effet, la variation sinusoïdale de l'indice, engendrée par l'onde élastique, a sur l'onde lumineuse un effet analogue à celui d'un réseau de phase: le faisceau lumineux 32 pénétrant dans le cristal 30 parallèlement aux plans d'ondes élastiques est séparé en plusieurs faisceaux inclinés symétriquement par rapport au faisceau incident d'angles 0 N: AN

sin N = k -

N A étant le pas des plans d'onde et X la longueur d'onde du faisceau incident. Mais l'épaisseur e du faisceau élastique doit être inférieure à une valeur critique ec. En effet les ondes latérales sont engendrées tout au long du trajet de l'onde porteuse à l'intérieur du faisceau ultrasonore et non seulement à la sortie, sur la frontière. Si on divise, par la pensée, le faisceau élastique en tranches minces parallèles à la direction de propagation, pour chacune de ces tranches l'analyse spectrale précédente est valable: les fréquences 52 + k M et la direction de propagation o N des ondes latérales sont les mêmes pour les tranches d'abcisses x et x + 9. Si on additionne pour un ordre donné, les contributions de ces deux,anches distantes de Q, il y a opposition de phase pour une distance Q N = - ' 2 L'interférence des ondes émises par les deux tranches distantes de N peut donc être destructive. Si la largeur du faisceau est supérieurs à N l'effet d'une tranche est annulé par la tranche distante de 9 N' Dans les meilleures conditions, l'épaisseur e du faisceau élastique r doit donc pas

dépasser une valeur critique du premier ordre: ec = E1 = -.

Pour une incidente à l'angle de Bragg du faisceau lumineux 32 par rapport aux plans d'onde élastiques, l'intéraction est la plus importante car elle permet de rendre constructives les interférences pour le premier ordre de fréquence angulaire 2 + i; elle ne fournit donc qu'un seul faisceau Àó., dévie. Le dispositif de l'invention, utilise un coupleur directionnel dont les deux guides ne sont pas identiques. Dans ce cas, si e/K1 et [ /K2 sont les constantes de propagation des modes dans ces deux guides du coupleur, l'énergie relative dans l'un des guides quand on aura excité l'autre s'écrira: E = sin2 1+ A2/4c2 cL 1 + Ae2/4c2 ou L est la longueur d'interaction, c est la constante de couplage avec

A, = ( [3/K -

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o X est la longueur d'onde dans le vide. L'énergie relative présente dans ce guide à la sortie du coupleur dépend donc de trois paramètres. L, c et Le. Si A[ est important par rapport à c on voit que de toute façon, quelque soit L, l'énergie maximum échangée peut être faible. Par exemple, si c = 1,5 10-4/umrn At3 = 0,O 001

E MAX = 0, 0017

et sic= 1,5 10-4 e= 0 01 2 7r

EMAX 0, 000017

Ainsi ces valeurs sont très faibles et peuvent encore être arbitraire-

ment diminuées en modifiant la longueur L. On sait que, si on fait varier périodiquement les constantes de propagation des deux guides et si la période correspondante est bien choisie on peut augmenter l'échange entre les deux guides en compensant le Ae par

le vecteur K du réseau.

L'interaction s'écrit alors, du fait de la conservation des moments g1 +K 12 soit: ---( Y1/K - 2/K) =A X A

A étant la période du réseau.

Ainsi, si ce réseau est formé, comme réalisé dans le dispositif de l'invention représenté à la figure 4, par une onde acoustique se propageant collinéairement à l'onde optique, on aura alors une translation de fréquence

de l'onde couplée.

L'efficacité de l'intéraction dépend de la valeur de la variation d'indice induite par l'onde acoustique et donc de la puissance injectée. On peut prendre comme exemple un coupleur directionnel réalisé dans du niobate de

lithium (Li Nb 03) par diffusion de titane. La variation d'indice correspon-

dant au titane est habituellement de l'ordre de: An - 5 10 3 On conçoit alors que l'on puisse réaliser les deux guides avec AB/K = 2 10-3. Ceci peut être obtenu en changeant la largeur ou/et l'épaisseur de titane pour ces deux guides du coupleur. Pour une longueur d'interaction de 10 mm, l'énergie maximum échangée sera: à X = 0,83/um, EMAX = 4 10. La longueur d'onde acoustique nécessaire à la compensation sera: 415 /um, soit dans le cas du niobate de lithium (Li Nb- 03) une fréquence d'environ 7,2 MHz. L'onde recueillie à la sortie du second guide

(non excité initialement) sera donc obtenue avec une translation en fréquen-

ce de 7,2 MHz et la quantité maximum de fondamental dans ce guide sera de

- 33dB par rapport à l'énergie optique totale.

Le dispositif selon l'invention peut également être réalisé en fabri-

quant l'un des guides par échange protonique et l'autre par diffusion de titane (ou les deux par échange protonique mais avec des caractéristiques différentes). Dans ce cas on peut obtenir AIS/K 0,1 avec une longueur d'interaction égale à 10 mm on obtient une énergie maximum échangée: -67 dB de l'énergie totale, avec une longueur d'onde acoustique de 8,3 /um soit

une fréquence acoustique de l'ordre de 361 MHz.

Ainsi dans le dispositif de l'invention représenté à la figure 4, une onde 23 envoyée dans le premier guide entraine par couplage l'existence d'une onde 25 dans le deuxième guide, cette onde étant alors translatée en fréquence. Plusieurs configurations de guides sont possibles, avec un substrat 3 en niobate de lithium, par exemple. Les deux guides sont obtenus par diffusion de titane dans le substrat. Les ondes guidées dans les deux uides sont soient deux ondes TE ou deux ondes TM on obtient alors un de l'ordre de

quelques 10-3.

Mais on peut aussi avoir une interaction croisée, c'est à dire une onde TE dans le premier guide et une onde TM dans le second ou réciproquement

on obtient alors un - - de l'ordre de 0,1.

K L'un des deux guides.peut être obtenu par diffusion de titane et le second par échange protonique. Si on considère un axe C perpendiculaire à la surface du substrat on a alors une onde TM dans chacun des deux guides. Ce

pourrait aussi être deux ondes TE. On obtient alors un - de l'ordre de 0, 1.

Les deux guides peuvent être obtenus par échange protonique, mais leurs caractéristiques doivent alors être différentes. On peut obtenir alors

K 0,1.

En jouant sur la fréquence acoustique, qui peut varier de 10 à 300 Megahertz, on peut obtenir un filtre accordable. En effet la biréfringence du

matériau varie en fonction de la fréquence.

La bande passante du dispositif de l'invention est fonction de la longueur d'interaction onde optique-onde acoustique, plus le nombre de plans d'onde de l'onde acoustique vus pendant ce couplage est grand plus la bande

passante est étroite.

Le dispositif décrit ici peut donc être utilisé comme filtre en mettant à profit par exemple la variation de la biréfringence d'un matériau avec la longueur d'onde. On peut alors imaginer que c'est une onde TE(TM) dans ce premier guide et une onde TM(TE) dans le second guide qui sont couplés par l'intermédiaire de l'onde acoustique. Dans ce cas du niobate de lithiurm on a: (La /KTM - Ae/KTE) 0,1 et donc de nouveau une onde acoustique de fréquence 361 MHz. Et ce filtre est ajustable puisqu'il suffit de changer

la fréquence de l'onde acoustique.

Dans le dispositif de l'invention on peut déposer des électrodes, par exemple de part et d'autre des deux guides ou sur ces mêmes guides. On peut, d'ailleurs, déposer une couche tampon d'isolation entre les électrodes et le substrat. Le champ électrique créé entre ces deux électrodes permet alors le réglage du dispositif de l'invention dans son état initial ou dans son

état final.

Le dispositif de l'invention trpuve son application dans le domaine du

gyromètre à fibre optique.

La figure 6 représente schématiquement un interféromètre en anneau de l'art connu. Une source laser S envoie un faisceau de rayons parallèles 41 vers un dispositif séparateur constitué par une lame semi-transparente M. Un certain nombre de miroirs M1, M2, 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 43. L'anneau est, donc, parcouru par deux ondes se propageant en sens inverse: l'une dans le sens horaire (sens 2), l'autre dans le sens antihoraire (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 43 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 le 1 deux ondes se recombinent sur la lame séparatrice M'. Le résultat de cette recombinaison peut être observé dans la branche de sortie 44. Le fait

d'intercaler le dispositif de filtrage F dans le bras d'entrée de l'interfé-

romètre 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 polarisateur. En effet le faisceau

incident 41 traverse ce filtre et la fraction qui en sort est en mode unique.

On peut donc soit considérer le faisceau émergeant 43 correspondant à l'interférence des deux faisceaux n'ayant pas traversé 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 F. A sa sortie les -

deux faisceaux que l'on envoie dans le bras 44 au moyen de la lame semi-

transparente M' sont contenu dans le même mode, ce qui rend l'interféro-

mètre insensible aux perturbations "réciproques".

Soit AL 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 44, en l'absence de perturbation "non

réciproque" A/ est nul.

Si on considère un gyromètre mettant en oeuvre cet interféromètre en anneau, une perturbation "non réciproque" va être créée par la mise en rotation du gyromètre. La différence de phase Ap n'est plus nulle et l'on. a tq = a o Q est la vitesse de rotation et a = k G o k est une constante dépendant de la géométrie du gyromètre, L la longueur du parcours optique, 1 la longueur d'onde de la lumière émise par la source laser S, et C la vitesse de la lumière dans l'anneau 42. Lorsque la vitesse de rotation Q augmente, la différence de phase Aà augmente dans les mêmes proportions car le coefficient a. reste constant. La puissance optique PS évolue selon une loi consinusoidale. En effet Ps = P15 + P25 + 2 Vi/I 2S Cos ( A) ou Pis correspond au sens 1 et P25 au sens 2. La sensibilité de la mesure pour une valeur A donnée est exprimée par la dérivée de PS' dPS d( = -2 VPIS P2S sin(Ai) La sensibilité de l'interféromètre est très faible si ladifférence de phase Ai est peu différente de zéro. C'est le cas dans un gyromètre si on désire mesurer de faibles vitesses de rotation 2. La variation de la puissance optique dans la branche de sortie est illustrée par le diagramme de

la figure 7.

On peut considérer les termes P13 et P25 égaux. Il s'en suit que pour une différence de phase Ac = ir. la puissance détectée est minimum. Elle

passe par un maximum PSmax pour Ad = o et pour 2v 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'interféro-

metre. Dans le cas d'une fonction variant selon une fonction consinusoMdale, le point de plus haute sensibilité est obtenu par les angles de (2k + 1) v /2, avec k nombre entier. On peut donc choisir un biais introduisant une variation de phase sur chaque onde en valeur absolue de v /4 mais de signes contraires. En l'absence de perturbation "non réciproque" la différence de phase devient alors Aà'= Mq+ Aq o avec Aqo = fr/2

on se placé alors au point A de la figure 7. -

On peut conmme illustré sur la figure 6 introduire alors sur le parcours des ondes dans l'anneau 42, un modulateur de phase 45 mettant en jeu un effet réciproque pour obtenir une meilleure sensibilité du dispositif. 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 devient alors A = A - + (t-) ou chacune des ondes circulant en sens inverse subit ce déphasage lorsqu'elle traverse le modulateur avec

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

Le point de fonctionnement décrit alors la courbe PS = f (A) de la

figure 7 de façon symétrique entre un couple de points extrêmes.

Le dispositif (modulateur de phase réciproque) permettant d'introduire la perturbation 4 (t) peut avantageusement être scindé en deux dispositifs et 46 situés chacun à une extrémité du trajet comme illustré sur la figure 6, et assurant l'un, le déphasage 4 l(t) et l'autre le déphasage 4 2(t). Ces dispositifs modulateur de phase situés symétriquement aux deux extrémités du trajet optique peuvent être en opposition. Cette disposition assure une symétrisation supplémentaire des phénomènes qui réduit les erreurs du

second ordre provenant d'éventuelles non linéarités des modulateurs.

L'idéal est de travailler aux points A et B de la courbe représentée à la

figure 7 dans un premier temps pour travailler en A on doit avoir 4 1(t) = l-

et 4>2(t) = - r/4 et ensuite 4l(t) = - r/4 et 4 2(t) = + /r 4 pour travailler au point B. On peut obtenir ce résultat en utilisant deux signaux carrés ayant deux

niveaux - r//4 et + ir/4.

Si les signaux de modulation de phase sont à la fréquence F, si le gyroscope ne tourne pas on obtient à la détection un signal redressé à la fréquence 2F. Par contre si le gyroscope tourne on obtient des fréquences F et 2F. Mais ce dispositif présente l'inconvénient de ne pas comporter de

technique de zéro. De plus la mesure n'est pas linéaire.

Si on veut utiliser une méthode de zéro, on doit considérer un effet non réciproque qui compense l'effet du à la rotation. On doit obtenir alors une composante à la fréquence F du signal détecté qui soit nulle. On mesure alors le paramètre modifié qui nous permet de connaitre la vitesse de rotation. On peut jouer sur le champ appliqué aux bornes des électrodes du modulateur si celui-ci est électrooptique. On peut jouer sur la différence de fréquence des modes qui se propagent ce qui entraine un déphasage en sortie

du détecteur.

Le dispositif de l'invention trouve son application dans ce domaine du gyromètre à fibre optique o l'on peut disposer deux convertisseurs de fréquence de l'invention sur les deux bras travaillant à des fréquences telles que la non réciprocité, introduite par le fait que les deux ondes dans l'interféromètre n'ont pas la même fréquence, compense celle due à l'effet

Sagnac.

On peut considérer ainsi deux convertisseurs 62 et 63 disposés à coté

des modulateurs 45 et 46 comme représenté à la figure 6.

Le dispositif de l'invention permet alors un réglage digital. Ainsi si à coté des deux modulateurs on place deux convertisseurs de fréquence, on peut arriver à compenser la composante de fréquence F due à l'effet Sagnac lorsqu'il y a rotation; sur les deux convertisseurs on a alors deux fréquences

F1 et F2.

Au repos on doit avoir F1 = F2. Lorsque le gyroscope tourne à une vitesse constante il y a battement en fréquence des fréquences F1 et F2 et

on peut compter alors le nombre de battements.

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. Un exemple de réalisation d'un interféromètre en anneau conforme à l'invention est illustré par la figure 8. La fibre 52 enroulée sur elle-même forme l'anneau 42 de l'interféromètre. Les différentes branches de l'interféromètre sont réalisées en optique intégrée: des guides d'ondes étant réalisées par intégration dans un substrat. La substrat peut être choisi par exemple parmi les matériaux suivarnts: Niobate de lithium ou tantalate de lithium dans lesquels on a fait diffuser, pour réaliser les guides d'ondes, du titane ou respectivement de niobium. Le convertisseur de fréquence est décomposé en deux convertisseurs 54 et 55 placés aux deux extrémités de la fibre. Ces convertisseurs sont les dispositifs de l'invention décrit précédemment qui permettent, en jouant sur

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les deux fréquences des deux ondes acoustiques (58,59) générées par les électrodes (56,57) de compenser l'effet Sagnac. Les modulateurs de phase 60 et 61 représentés par des électrodes déposées de part et d'autre de chacun des guides d'onde sont placés dans la boucle pour permettre de connaitre les moments o le gyroscope tourne: En effet dans ce cas on détecte une composante du signal à la fréquence F, comme cela a été expliqué précédemment. Les séparateurs de rayonnements optiques sont composés de guides d'ondes monomodes reliés entre eux pour former des Y, ces Y étant reliés entre eux par une de leurs branches jouent le rôle tenu précédemment par les lames semi-transparentes dans la figure 6. Le guide 48 joue le r1ôle du filtre monomode de la figure 1, un polarisateur étant réalisé par exemple

par métallisation 49 de la surface du substrat au-dessus du guide 48.

Le dispositif de l'invention trouve, aussi, des applications dans les

télécommunications optiques pour multiplexer/démultiplexer des ondes opti-

ques en longueur d'onde.

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Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif optique convertisseur de fréquences comportant un subs-

trat plan (3) réalisé en un premier matériau, et au moins deux guides d'onde de caractéristiques différentes (5,6), dont l'un reçoit une onde incidente (23), disposés à la surface de ce substrat (3), ces guides d'onde étant parallèles entre eux sur une longueur prédéterminée et séparés par une distance telle que le rayonnement de l'onde incidente soit transférable d'un guide d'onde à un autre, caractérisé en ce que ce dispositif comporte des moyens de génération d'une onde acoustique colinéaire à l'onde incidente véhiculée par l'un des guides; ces moyens de génération étant disposés entre les deux

0 guides d'ondes de manière a réaliser adite conversion de fréquence.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de génération de l'onde acoustique comportent une couche mince (26) d'un second matériau piézo-électrique, déposé à la surface du substrat et en ce que deux électrodes (13,14) ayant la forme de peignes interdigités sont

déposées à la surface de ce deuxième matériau.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de génération de l'onde acoustique comportent deux électrodes (13,14) ayant

la forme de peignes interdigités déposées à la surface du substrat (3).

4.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier

matériau est réalisé en niobate de lithium.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'un des deux guides au moins est réalisé en un barreau inséré à l'intérieur du

substrat, dans lequel du titane est introduit dans ledit niobate de lithium.

6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'un des deux guides aux moins est réalisé par un barreau inséré à l'intérieur du substrat, des ions H+ étant substitués aux ions lithium dans ledit niobate de lithium.

7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour appliquer un champ modulant à au moins un des guides, ces moyens étant réalisés par des électrodes disposées de part et d'autre de ce guide.

8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour appliquer un champ modulant à au moins un des guides, ces

moyens étant réalisés par des électrodes disposées sur ce guide.

9. Gyromètre comprenant un 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, qui comporte une source lumineuse monochromatiques (S), des moyens photodétecteurs de

l'interférence de ces rayonnements (D,D') et des moyens optiques sépara-

teurs et mélangeurs (M, M') reliant directement les extrémités de ce guide d'onde à cette source lumineuse et à ces moyens photodétecteurs, et des moyens de déphasage optique (45,46) à commande électrique agissant sur ces rayonnements,caractérisé en ce qu'il comporte intercalé dans le guide d'onde en anneau au moins un dispositif tel que décrit selon l'une quelconque des

revendications 1. à 8.

10. Gyromètre dont l'anneau est formé par une fibre optique (52) et la source d'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, sur lequel ont été réalisés deux guides d'onde (50,51) couplés et reliés en leur premier extrémité, respectivement à la source d'énergie (S) et aux moyens de détection (D') et en leurs secondes extrémités aux extrémités de la fibre optique (52) et qui comporte, intégrée sur le substrat au moins une paire d'électrodes (53) disposées de part et d'autre de l'un des deux guides d'onde pour former un modulateur de phase (M) à effet électro-optique; ces moyens de séparation et ces moyens de mélange des ondes étant 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, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un

dispositif, tel que décrit selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,

disposé sur ce substrat aux deux secondes extrémités des guides d'onde.