Brevet FR2460582A1 — publié le 19810123

L'invention se rapporte au domaine de la détection acousti- que en milieu marin et a plus particulièrement pour objet un hydro- phone à fibre optique monomode fonctionnant par effet élasto- optique, dtilisant les effets d'interaction entre l'onde acous- tique à détecter et une fibre optique monomode sur laquelle cette onde acoustique agit. L'invention a pour objet un hydrophone comportant en parti- culier une fibre optique monomode plongée dans l'eau o se propage l'onde sonore. La propagation de cette onde sonore produit dans le milieu de propagation des variations de pression qui provo- quent par effet élasto-optique des variations des paramètres géo- métriques et optiques de la fibre. Une onde optique se propageant dans la fibre optique subit des variations de phase susceptibles d'être détectées par interférométrie, au moyen d'une seconde fibre optique monomode formant bras de référence. Les liaisons optiques entre la fibre optique plongée dans l'eau, qui constitue le bras de mesure, et la fibre optique de réfé- rence sont établies dans une structure optique rigide et compact et réalisées par les techniques de l'optique intégrée de façon à éviter: tout déréglage du dispositif en fonctionnement. Suivant l'invention, un hydrophone à fibre optique monomode fonctionnant par effet élasto-optique, caractérisé en ce qu'il comporte une source laser monomode couplée à une plaquette de cir- cuit optique intégré dans laquelle sont réalisés des moyens de séparation du rayonnement issu de la source vers deux premiers guides optiques intégrés et des moyens de recombinaison du rayonnement guidé par deux seconds guides optiques intégrés, une première fibre optique monomode formant bras de mesure destinée à être plongée dans un milieu d'inter-action soumis à l'onde acousti- que à détecter, et une seconde fibre optique monomode formant bras de référence, ces deux fibres ayant leurs extrémités rigidement couplées respectivement à l'un des premiers et à l'un des seconds guides optiques, l'hydrophone comportant en outre un modulateur de phase à commande électrique agissant sur l'un des guides opti- ques intégrés pour introduire un déphasage entre les ondes guidées, des moyens de détection du rayonnement émergeant des moyens de recombinaison, et un dispositif de traitement des signaux détectés destiné à fournir un signal de commande au modulateur de phase tel - 2 2460582 que le déphasage entre les deux bras indépendant de l'onde acous- tique à détecter soit maintenu voisin d'un point de sensibilité maximum, le dispositif de traitement délivrant de plus un signal de mesure caractéristique de l'onde acoustique. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées. La figure 1 représente le schéma d'un mode de réalisation de l'hydrophone suivant l'invention. La figure2 est une courbe explicative du fonc- tionnement de l'hydrophone. L'hydrophone selon l'invention a une structure d'interfé- rométre et comporte sur l'un des chemins optiques de l'interfé- rométre une fibre optique monomode immergée dans le champ d'onde acoustique à détecter supposé uniforme, de pression P et de fré- quence . Ce champ d'cnde acoustique induit par effet élasto- s optique une variation d'indice An de l'indice n de la fibre. Cette variation d'indice se traduit par un déphasage A4 fonction de la variation d'indice A n, de la longueur 1 de la fibre immergée et de la longueur d'onde X de l'onde optique: _2 w 1 A (s) Al An. Cette variation d'indice A n est égale à Ano0 Sine st _1 n3pe Pétn o Ano 2 n3p -E Pe étant la constante photoëlastique de la fibre, et E étant le module de YOUNG du matériau formant la fibre ( P est la contrainte appliquée à la fibre par le champ E d'onde acoustique). Pour que le déphasage A4 soit mesurable, il est nécessaire que la longueur 1 de la fibre optique monomode immer- gée soit grande. Cependant, il est également nécessaire, pour qu'il y ait intégration des effets sur toute la longueur de la fibre, que le temps de propagation dans la fibre immergée ne soit pas trop grand par rapport à la période de l'onde acoustique. A titre d'exemple, si la longueur de la fibre immergée est 600m, le temps de propagation de l'onde optique dans cette fibre est 3 /us. Pour que l'on puisse admettre que le champ de pression ne varie pas trop vite, il ne faut pas que l'onde acoustique ait une fré- quence supérieure à *160 kHz( période de l'onde acoustique: T = 6/us, au moins égale au double du temps de propagation dans la fibre). dans la fibre). Pour une fibre monomode en silice d'indice n = 1,5, de cons- tante photo-élastique P = 0,2 dont le module de YOUNG est E = 7 X 10 N.m 2, $'amplitude du déphasage induit à la fré- quence de l'onde sonore pour lm de longueur d'interaction dans un champ de pression de 1 N m 2 est 4.10 5 rd pour une source laser As Ga (A = 0,9 X 10 6 m). Les pressions mesurables par l'hydrophone à fibre optique dépendent de la puissance optique incidente, de l'atténuation dans la fibre à la longueur d'onde utiliséede la sensibilité du photodétecteur recevant le rayonnement résultant des interfé- rences entre l'onde optique qui s'est propagée dans le bras de mesure et l'onde optique qui s'est propagée dans le bras de référence, et de la longueur de la fibre soumise au champ de pression; un compromis doit être fait entre une augmentation du déphasage mesuré -résultant d'une augmentation de la longueur de la fibre et la puissance optique disponible sur le photodé- tecteur compte-tenu de l'atténuation introduite par une très grande longueur de fibre. Pour rester dans les limites de cohérence de la source, il est nécessaire que les trajets optiques dans le bras de mesure, comportant la fibre optique soumise au champ de pression-acous- tique, et dans le bras de référence soient équivalents. Pour obtenir ce résultat, il est avantageux d'utiliser dans le bras de référence, une fibre optique de mêmes caractéristiques que la fibre optique du bras de mesure. Compte-tenu des grandes longueurs de fibre à utiliser et pour un encombrement réduit, ces fibres peuvent être enroulées Pour qu'un tel dispositif fonctionne dans des conditions satis- faisantes, il est absolument nécessaire que les chemins optiques dans l'interféromètre soient fixés et ne varient pas lorsque le dispositif fonctionne, et, pour que les conditions de propagation de l'onde optique soient assez stables, il est particulièrement intéressant de réaliser les liaisons optiques entre la source, - les extrémités des fibres optiques et le détecteur de manière rigide, la technique de l'optique intégrée étant particulièrement adaptée pour permettre le fonctionnement correct d'un tel dispo- sitif. De plus, une telle structure permet d'introduire sur les chemins optiques des microstructures actives commandées 4 2460582 électriquement pour améliorer sensiblement le fonctionnement du dispositif. La figure 1 représente un mode de réalisation de l'hydro- phone suivant l'invention. Il comporte un substrat électro- optique 1, par exemple en niobate de lithium dans lequel sont réalisés des guides d'onde optique par diffusion de titane, pour réaliser les liaisons optiques. La source de lumière est un laser à semiconducteur le As Ga par exemple, couplé par la tran- che à un micro-guide 3 réalisé dans le substrat qui reçoit le rayonnement émis par la source. Un coupleur directionnel 4 per- met de transférer une partie de la lumière guidée dans le guide 3 à un guide 5, ces guides 3 et 5 dirigeant respectivement le rayon- nement vers le bras de mesure et vers le bras de référence. Pour cela, une fibre optique monomode enroulée 6 a une extrémité couplée à la tranche du substrat pour recevoir le rayonnement guidé dans le guide 3 et son autre extrémité couplée à la tranche du substrat pour transmettre le rayonnement émergeant vers un guide 7 de réception. De la même manière, une fibre optique monomode enroulée 8 a une extrémité couplée à la tranche du substrat pour recevoir le rayonnement guidé dans le guide 5 et son autre extré- mité couplée à tranche du substrat pour transmettre le rayonne- ment émergeant vers un guide 9 de réception. La fibre optique 6 qui est dans le bras de mesure, est plongée dans le milieu d'interaction acousto-optique 12. Un trans- ducteur 13 électro-acoustique émettant l'onde sonore à détecter a été représenté dans le milieu d'interaction. Comme il a été décrit ci-dessus, l'onde acoustique crée dans le milieu des variations de pression provoquant des variations des paramètres géométriques de la fibre, ces variations induisant par effet électro-optique des variations d'indice dans cette fibre. Il en résulte une modulation de phase de l'onde guidée dans cette fibre à la fréquence de l'onde sonore. Cet effet est faible, mais du fait de la grande longueur de fibre dans laquelle se propage l'onde guidée, la variation de phase due à l'onde acoustique est mesurable. Cette mesure est effectuée par interférométrie, l'onde de référence se propageant dans la fibre optique monomode 8. 2460582 Cette fibre de référence est placée en dehors du champ acousti- que et l'onde optique qu'elle transmet ne subit donc pas de va- riations dans ses conditions de propagation dues à l'onde acous- tique. La sensibilité maximum d'un tel interféromètre est obtenue lorsque le déphasage relatif entre les deux bras est égal à - Cette condition pourrait être obtenue en créant. entre les deux bras un déphasage fixe égal >, le déphasage variable à la fréquence de l'onde acoustique, du à l'onde acoustique agissant sur la fibre optique, étant superposé à ce déphasage-fixe de façon que les variations faibles de AS soient détectées dans une plage de sensibilité maximum. En pratique ce déphasage supplémentaire est très diffi- cile à maintenir constant compte tenu de-l'influence de l'envi- ronnement sur les conditions de propagation, variations de tem- pérature, contraintes, etc, les deux fibres étant dans des milieux différents. Le dispositif selon l'invention permet de s'affranchir des variations de phase entre les deux bras de l'interféromètre en ajoutant au déphasage variable du aux variations dans les condi- tions de propagation al; un autre déphasage variable el créé au rr.Dyen d'un m.odu ate.r de phase à commande électrique placé sur l'un des guides d'onde du circuit optique intégré tel que la somme fai + $e soit sensiblement égale à -a- les faibles variations de d-ph-sage dues à l'onde acoustique à la fréquence s qui se superposent à ce déphasage quasi fixe, étant détec- tées dans une plage o la sensibilité est maximum. Pour cela les guides de réception 7 et 9 recevant le rayon- nement émergeant respectivement de la fibre formant bras de mesure 6 et de la fibre formant bras de référence 8 sont couplés sur une longueur d'interaction prédéfinie pour former un coupleur directionnel 10. Le taux de couplage est ajustable par commande électrique, deux électrodes étant prévues à cet effet le long des deux guides. Lorsque le coupleur est ajusté de telle manière que 50 % du rayonnement incident dans un guide d'entrée soit transmis dans chacune des voies de sortie du coupleur, le rayon- nement détecté à la sortie de chacune de ces deux voies par des photodétecteurs, respectivement il et 14 correspond aux inter- férences entre les ondes transmises par la fibre de mesure et la fibre de référence. Ces deux voies de sortie étant complé- mentaires, la somme des intensités des rayonnements détectés est égale à l'intensité du rayonnement incident. Si $ (t) est le déphasage entre les deux bras de l'inter- féromètre qui n'est pas dR à l'onde acoustique, et A sin w t (o = l Aln), l'intensité détectée par l'un des photodétecteurs est I1 (t) = 2 I L + cos-(e sin s t + ( et celle détectée sur l'autre voie est: I2 (t) 2Io [1 - cos (s sin u t + >(t) Io étant l'intensité du rayonnement optique circulant dans la fibre de mesure et dans la fibre de référence. Les variations de phase à la fréquence de l'onde sonore sont rapides par rapport aux autres variations de-phase dues aux variations dans les conditions de propagation dans les deux fibres. Des filtres passe bas 15 et 16, recevant respec- tivement les signaux de sortie des détecteurs Il et 14, délivrent des signaux variables, avec les variations de conditions de propagation, suivant d (t), soit I' = 2 I' 1 + cos 4 (t)] et I' = 2 Io [I - cos $(tJ. Les courbes représentant ces deux signaux sont représentées sur la figure 2. Si les photodétecteurs ont la même sensibilité et si les filtres ont les mêmes caractéristiques, les signaux de sortie des filtres 15 et 16 sont égaux lorsque 4(t) = --. Un circuit 17 permet de faire la différence des signaux de sortie des filtres et délivre un signal d'erreur s(t), ce signal d'erreur étant nul lorsque Il = I'2, soit 4(t) =. Pour obtenir ce point de fonctionnement pour le système de détection, le signal e(t) est appliqué à un amplificateur 18 ayant des caractéristiques telles que son signal de sortie appliqué aux électrodes d'un modulateur de phase à commande électrique 20 placé sur l'un des guides d'onde du circuit optique intégré, induise un déphasage $el de l'onde optique; ce déphasage ajouté au déphasage aléatoire 4al entre les deux voies (mesure et 7 2460582 référence) étant tel que 1 (t) = ai + + el soit maintenu égal a - a tout instant. Le signal de mesure peut alors être obtenu à partir du signal de sortie de l'un des photodétecteurs, par exemple le photodétecteur 11l dont le signal de sortie varie comme: I1(t) = 2 Io [1 + cos ( 6 sin s t + -- au moyen d'un circuit de traitement 19 fournissant un signal S proportionnel au déphasage entre les deux ondes optiques dû à l'onde acous- tique. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation de l'hydronpbone précisément décrit et réalisé. En particulier, dans la mesure o la source est une source laser à semiconduc- teur et les photodétecteurs des photodiodes également à semi- conducteur, il est possible d'intégrer ces deux composants sur le substrat électro-optique lui-même. Par ailleurs, il serait également possible d'utiliser une source laser à gaz, par exemple un laser Hélium Néon comme source optique. De plus, la fonction de séparation de l'onde optique issue de la source entre le bras de mesure et le bras de référence et la fonction de recombinaison des deux ondes optiques émergeant de ces mêmes bras ont été réalisées au moyen de deux coupleurs à 3 dB commandés électriquement. D'autres moyens actifs ou passifs peuvent assurer cette séparation et cette recombinaison. REVENDICATIONS 1. Hydrophone à fibre optique monomode fonctionnant par effet élastooptique, caractérisé en ce qu'il comporte une source laser monomode couplée à une plaquette de circuit optique intégré dans laquelle sont réalisés des moyens de séparation du rayonne- ment issu de la source vers deux premiers guides optiques inté- grés et des moyens.de recombinaison du rayonnement guidé par deux seconds guides optiques intégrés, une première fibre optique monomode formant bras de mesure,destinée à être plongée dans un milieu d'inter-action soumis à l'onde acoustique à détecter, et une seconde fibre optique nonomode formant bras de référence, ces deux fibres ayant leurs extrémités rigidement couplées respectivement à l'un des premiers et à l'un des seconds guides optiques, l'hydrophone comportant en outre un modulateur de phase à commande électrique agissant sur l'un des guides optiques intégrés pour introduire un déphasage entre les ondes guidées, des moyens de détection du rayonnement émergeant des- moyens de recombinaison,et un dispositif de traitement des signaux détectés, destiné à fournir un signal de commande au modulateur de phase tel que le déphasage entre les deux bras indépendant de l'onde acoustique à détecter soit maintenu voisin d'un point de sensibilité maximum, le dispositif de traitement délivrant de plus un signal de mesure caractéristique de l'onde acoustique. 2. Hydrophone selon la revendication 1, caractérisé en ce que:les moyens de recombinaison du rayonnement comportent deux voies de sortie complémentaires, les moyens de détection comportent deux photodétecteurs respectivement couplés à chacune de ces voies de sortie;; le dispositif de traitement comporte: des moyens de filtrage passe-bas des signaux issus des photodétecteurs, un circuit permettant de faire la diffé- rence entre les signaux émergeant des moyens de filtrage,et un circuit de commande destiné à fournir le signal de commande au modulateur de phase, le signal de mesure étant obtenu à la sortie d'un circuit de traitement relié à l'un des photo- détecteurs. 3. Hydrophone selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de séparation du rayonnement et les moyens de recombinaison du rayonnement sont des coupleurs directionnels ajustables électriquement, des moyens d'alimen- tation étant prévus pour ajuster les taux de couplage de ces coupleurs. 4. Hydrophone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source est une source laser à semiconducteur rigidement couplée par la tranche à la plaquette de circuit optique intégré au niveau d'un guide optique d'entrée des moyens de séparation. 5. Hydrophone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de détection sont formés par des photodiodesà semiconducteur rigidement couplées par la tranche à la plaquette de circuit optique intégré au niveau des guides optiques de sortie des moyens de recombinaison.