FR3125120A1 - Interféromètre à fibre optique basé sur une source laser monofréquence et procédé d’interférométrie corrigés des réflexions parasites - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un interféromètre (100) comprenant un générateur de lumière (1), une bobine de fibre optique (4), un coupleur-séparateur optique, un photodétecteur (5) et un système électronique de traitement du signal (6). Le générateur de lumière (1) comprend une source laser (8) apte à émettre un faisceau source (10) séparé en deux faisceaux secondaires (11, 12) parcourant la bobine avec un temps de parcours τ définissant une fréquence propre . Selon l’invention, la source laser (1) est monofréquence et le générateur de lumière (1) comprend des moyens de modulation (7, 9) adaptés pour moduler le faisceau source (10) à une fréquence de modulation égale à où n est un nombre entier supérieur ou égal à 1 et le photodétecteur (5) et le système électronique de traitement du signal (6) sont configurés pour acquérir et traiter un signal représentatif du faisceau interférentiel (15) à une fréquence de démodulation égale à . Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention concerne le domaine technique des systèmes interférométriques.
Elle concerne plus particulièrement un système interférométrique de type interféromètre de Sagnac comprenant une boucle de fibre optique. Un tel système interférométrique trouve notamment des applications dans les gyroscopes à fibre optique (ou FOG pour fiber-optic gyroscope, voir « The Fiber-Optic Gyroscope », H. C. Lefèvre, Artech House, Second Edition, 2014).
L’invention concerne tout particulièrement un interféromètre à fibre optique basé sur une source laser, l’interféromètre étant insensible aux réflexions parasites de la source laser et un procédé de mesure interférométrique corrigé des réflexions parasites induites par la source laser.
Dans la plupart des gyroscopes à fibre optique actuels, la source de lumière est une source dite large bande, c’est-à-dire une source émettant un faisceau lumineux s’étendant sur une bande spectrale comprise généralement entre quelques nanomètres et quelques dizaines de nanomètres. Par exemple, la source est classiquement une source dite ASE (« Amplified Spontaneous Emission », en langue anglaise) ou encore une source dite SLED (« Superluminescent Light Emitting Diode », en anglais). L’emploi de telles sources présente d’une part l’avantage de limiter les effets non-linéaires indésirables dans la fibre, par exemple l’effet Kerr, qui induisent un biais dans les mesures, et présente d’autre part l’avantage de limiter les interférences optiques parasites et la rétro-réflexion Rayleigh qui sont des sources de bruit perturbant les mesures.
Au contraire, avec une source monofréquence, par exemple une source laser ou une diode laser, les réflexions parasites sont un problème important pour le bruit du FOG, du fait de la grande longueur de cohérence d’une source monofréquence. Dans ce cas, une réflexion parasite interfère avec le signal principal et génère un bruit particulièrement élevé sur la puissance mesurée.
Dans le présent document, on entend par source monofréquence, autrement appelée source monomode, une source configurée pour émettre au plus 4 modes longitudinaux, ou encore émettant dans bande spectrale d’émission de largeur inférieure ou égale à 1GHz, à chaque instant t. Les diodes laser, notamment les diodes de type DFB ou à rétroaction distribuée (« Distributed Feed-Back ») sont des exemples de sources monofréquence. Les diodes laser de type Fabry Pérot, qui émettent sur très peu de modes en laissant des modes secondaires beaucoup moins puissants, sont ici aussi considérées comme des sources ayant un fonctionnement de source monofréquence.
Bien que les sources monofréquence aient déjà été envisagées pour la réalisation d'interféromètres, leur usage s'est fortement réduit au profit des sources large bande, notamment en raison des interférences parasites générées par les réflexions sur les interfaces rencontrées par les différents faisceaux.
Un des buts de l’invention est de proposer un système et procédé de mesure interférométrique à fibre optique basé sur une source monofréquence et qui soit insensible aux réflexions parasites.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
Plus précisément, l’invention concerne un interféromètre à fibre optique comprenant un générateur de lumière, un séparateur optique de source, une bobine de fibre optique, un coupleur-séparateur optique, un photodétecteur et un système électronique de traitement du signal, le générateur de lumière comprenant une source laser apte à émettre un faisceau source, le séparateur de source étant apte à transmettre le faisceau source vers le coupleur-séparateur optique, le coupleur-séparateur optique étant apte à séparer le faisceau source en deux faisceaux secondaires et à injecter chaque faisceau secondaire à une extrémité de la bobine de fibre optique de façon à ce que les deux faisceaux secondaires se propagent en sens mutuellement opposés dans la bobine de fibre optique, chaque faisceau secondaire parcourant la bobine avec un temps de parcours τ définissant une fréquence propre de la bobine , le coupleur-séparateur optique étant apte à recombiner les deux faisceaux secondaires en sortie de la bobine de fibre optique pour former un faisceau interférentiel et le séparateur de source étant apte à transmettre le faisceau interférentiel vers le photodétecteur.
Selon l’invention, la source laser est configurée pour émettre au plus 4 modes longitudinaux à chaque instant t et en ce que le générateur de lumière comprend des moyens de modulation adaptés pour moduler le faisceau source à une fréquence de modulation égale à où n est un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1 et le photodétecteur et le système électronique de traitement du signal sont configurés pour acquérir et traiter un signal représentatif du faisceau interférentiel à une fréquence de démodulation égale à .
La source laser est configurée pour émettre au plus 4 modes longitudinaux à chaque instant t. De façon équivalente, la source laser est configurée pour présenter une largeur spectrale inférieure ou égale à 1GHz à chaque instant t. Autrement dit, on utilise une source monofréquence à chaque instant t.
Selon un premier mode de réalisation, les moyens de modulation sont adaptés pour moduler en puissance le faisceau source, de façon à ce que le faisceau source présente une puissance non nulle à un instant t- τ et le faisceau source présente une puissance nulle aux instants t et t-2 τ.
Selon un deuxième mode de réalisation, les moyens de modulation sont adaptés pour accorder en longueur d’onde la source laser, de façon à ce que la source laser émette un premier mode longitudinal à un instant t- τ et au moins un deuxième mode longitudinal, distinct du premier mode longitudinal, aux instants t et t-2 τ, et dans lequel le système électronique de traitement du signal comporte un filtre adapté pour supprimer un signal détecté à une fréquence de battement entre le premier mode longitudinal et ledit au moins un deuxième mode longitudinal.
Selon un aspect particulier du deuxième mode de réalisation, les moyens de modulation comprennent des moyens d’ajustement de la source laser en température et/ou en courant électrique.
Selon un aspect particulier du premier ou du deuxième mode de réalisation, les moyens de modulation sont adaptés pour moduler la puissance du faisceau source en créneau de façon à ce que la valeur de puissance au point de mesure soit égale à deux fois la valeur moyenne de la puissance sur une plage de durée 2τ autour du point de mesure.
Selon un autre aspect particulier du premier ou du deuxième mode de réalisation, l’interféromètre comprend des moyens de contrôle configurés pour équilibrer la puissance des deux faisceaux secondaires.
De façon particulièrement avantageuse, la source laser comprend une diode laser, une diode laser à rétroaction distribuée ou un laser Fabry-Pérot, ou tout autre source monofréquence optique modulable directement ou par l’ajout d’une modulation externe. Par exemple, on cite les diodes laser, type DBR, avec filtrage direct ou externe.
Selon un aspect particulier, l’interféromètre comprend un modulateur optique de phase configuré pour moduler une différence de phase entre les deux faisceaux secondaires à une fréquence de modulation de phase égale à .
De façon avantageuse, le modulateur optique de phase est configuré pour moduler la différence de phase suivant une modulation à M états, par période de modulation de phase, où M est un nombre entier pair inférieur ou égal à 20.
L’invention concerne aussi un procédé d’interférométrie comprenant les étapes suivantes : émission d’un faisceau source comprenant au plus 4 modes longitudinaux à chaque instant t ; séparation optique du faisceau source en deux faisceaux secondaires ; injection de chaque faisceau secondaire à une extrémité d’une bobine de fibre optique de façon à ce que les deux faisceaux secondaires se propagent en sens mutuellement opposés dans la bobine de fibre optique, chaque faisceau secondaire parcourant la bobine avec un temps de parcours τ définissant une fréquence propre de la bobine ; recombinaison optique des deux faisceaux secondaires en sortie de la bobine de fibre optique pour former un faisceau interférentiel; détection du faisceau interférentiel incident sur un photodétecteur, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de modulation du faisceau source à une fréquence de modulation égale à où n est un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1 ; la détection du faisceau interférentiel étant effectuée à une fréquence de démodulation égale à .
Le procédé et système interférométrique de l’invention permettent de supprimer les effets des réflexions parasites dans un interféromètre à fibre optique basé sur une source monofréquence.
De plus, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l'invention et où :
Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références.
Claims (11)
- Interféromètre (100) à fibre optique comprenant un générateur de lumière (1), un séparateur optique de source (2), une bobine de fibre optique (4), un coupleur-séparateur optique, un photodétecteur (5) et un système électronique de traitement du signal (6), le générateur de lumière (1) comprenant une source laser (8) apte à émettre un faisceau source (10), le séparateur de source (2) étant apte à transmettre le faisceau source (10) vers le coupleur-séparateur optique, le coupleur-séparateur optique étant apte à séparer le faisceau source (10) en deux faisceaux secondaires (11, 12) et à injecter chaque faisceau secondaire (11, 12) à une extrémité (41, 42) de la bobine de fibre optique (4) de façon à ce que les deux faisceaux secondaires (11, 12) se propagent en sens mutuellement opposés dans la bobine de fibre optique (4), chaque faisceau secondaire (11, 12) parcourant la bobine avec un temps de parcours τ définissant une fréquence propre de la bobine
- Interféromètre à fibre optique selon la revendication 1 dans lequel les moyens de modulation (7, 9) sont adaptés pour moduler en puissance le faisceau source (10), de façon à ce que le faisceau source (10) présente une puissance non nulle à un instant t- τ et le faisceau source (10) présente une puissance nulle aux instants t et t-2 τ.
- Interféromètre à fibre optique selon la revendication 2 dans lequel les moyens de modulation (7, 9) comprennent un modulateur optique (9) disposé entre la source laser (8) et le séparateur de source (2), le modulateur optique (9) étant configuré pour moduler la puissance du faisceau source (10).
- Interféromètre à fibre optique selon la revendication 1 dans lequel les moyens de modulation (7, 9) sont adaptés pour accorder en longueur d’onde la source laser (8), de façon à ce que la source laser (1) émette un premier mode longitudinal à un instant t- τ et au moins un deuxième mode longitudinal, distinct du premier mode longitudinal, aux instants t et t-2 τ, et dans lequel le système électronique de traitement du signal (6) comporte un filtre adapté pour supprimer un signal détecté à une fréquence de battement entre le premier mode longitudinal et ledit au moins un deuxième mode longitudinal.
- Interféromètre à fibre optique selon la revendication 4 dans lequel les moyens de modulation (7, 9) comprennent des moyens d’ajustement de la source laser en température et/ou en courant électrique.
- Interféromètre à fibre optique selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel les moyens de modulation (7, 9) sont adaptés pour moduler la puissance du faisceau source (10) en créneau de façon à ce que la valeur de puissance au point de mesure soit égale à deux fois la valeur moyenne de la puissance sur une plage de durée 2τ autour du point de mesure.
- Interféromètre à fibre optique selon l’une des revendications 1 à 6 comprenant des moyens de contrôle configurés pour équilibrer la puissance des deux faisceaux secondaires (11, 12).
- Interféromètre à fibre optique selon l’une des revendications 1 à 7 dans lequel la source laser (1) comprend une diode laser, une diode laser à rétroaction distribuée ou un laser Fabry-Pérot.
- Interféromètre à fibre optique selon l’une des revendications 1 à 8 comprenant un modulateur optique de phase (31) configuré pour moduler une différence de phase entre les deux faisceaux secondaires (11, 12) à une fréquence de modulation de phase égale à
- Interféromètre à fibre optique selon la revendication 9 dans lequel le modulateur optique de phase (8) est configuré pour moduler la différence de phase suivant une modulation à M états, par période de modulation de phase, où M est un nombre entier pair inférieur ou égal à 20.
- Procédé d’interférométrie comprenant les étapes suivantes : émission d’un faisceau source (10) comprenant au plus 4 modes longitudinaux à chaque instant t ; séparation optique du faisceau source (10) en deux faisceaux secondaires (11, 12) ; injection de chaque faisceau secondaire (11, 12) à une extrémité (41, 42) d’une bobine de fibre optique (4) de façon à ce que les deux faisceaux secondaires (11, 12) se propagent en sens mutuellement opposés dans la bobine de fibre optique (4), chaque faisceau secondaire (11, 12) parcourant la bobine avec un temps de parcours τ définissant une fréquence propre de la bobine
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