Brevet FR2471595A1 — publié le 19810619

L'invention se rapporte aux interféromètres en an- neau permettant de mesurer l'effet des phénomènes non réciproques tels que l'effet Faraday et l'effet Sagnac avec une très grande sensibilité et une très grande stabilité. Dans un interféromètre en anneau, ou interféromètre de Sagna", deux faisceaux parcourent en sens opposés un même trajet optique, et interfèrent à la sortie de ce trajet. Pour autant qu'une perturbation de ce trajet présente les mêmes caractéristiques pour les deux sens de propagation et ne varie pas pendant la durée du tran- sit de la lumière dans l'interféromètre, les deux fais- ceaux sont affectés identiquement et leur phase relative demeure inchangée. Les perturbations de ce type sont dites "réciproques". Parce que le temps de transit dans un interféromètre est généralement très petit, les va- riations d'une perturbation pendant ce temps, sauf si celle-ci est introduite volontairement, sont générale- ment négligeables. Mais il existe des perturbations "non réciproques' qui présentent une amplitude différente aux deux sens de propagation, il s'agit d'effets physiques qui, en établissant son orientation complète, détruisent la symétrie de l'espace ou du milieu. Deux effets connus présentent cette propriété - l'effet Faraday, ou effet magnéto-optique coli- néaire, o un champ magnétique crée une orientation pré- férentielle du spin des électrons du matériau optique. - l'effet Sagnac, ou effet inertiel relativiste, o la rotation de l'interféromètre par rapport à un re- père gallil&en détruit la symétrie des temps de propaga- tion. Dans un interféromètre en anneau, seules des per- turbations "non réciproques" de ce type ont un effet sur le signal détecté. Les variations dimensionnelles telles que fluage, dilatation thermique, variation de pression, o les variations d'indice de réfraction n'ont, elles, aucun effet sur le signal détecté. On dispose donc, en principe, d'un instrument de mesure des effets "non ré- ciproques" qui présente une stabilité parfaite. En pratique, pour que les perturbations réciproques aient un effet rigoureusement nul, il faut que les deux faisceaux de l'interféromètre parcourent exactement le même trajet. Plus précisément, il faut que les deux on- des soient deux solutions identiques de l'équation d'onde de l'interféromètre, le signe du paramètre utemps" étant inversé. Lorsque l'interféromètre est réalisé en propagation libre, et c'est le-cas de l'utilisation d'éléments op- tiques discrets, cette condition n'est jamais stricte- ment respectée: - l'équation d'onde présente un "continuum" de so- lutions et le moindre désalignement des optiques conduit à l'obtention de solutions différentes, donc de fronts d'ondes non superposés; - même pour des solutions identiques lorsque des ondes d'extension infinie sont considérées, ondes planes par exemple, la distribution d'intensité, forcément li- mitée en pratique, diffère, en fait, ne serait-ce qu'à cause de la diffraction, et rompt la réciprocité. Une solution de type monomode consiste en un inter- féromètre réalisé en structure guide d'onde de bout en bout, et décrit dans la demande de brevet français no 77 35039, déposé le 22 Novembre 1977. Dans ce cas, l'équation d'onde présente un nombre discret de solu- tions, et il est possible, en principe, d'utiliser la même de ces solutions, ou modes, dans chacun des deux sens de propagation. Cependant, parce que les couplages entre modes sont toujours présents, il est préférable que la structure de guidage soit monomodale. Mais cette solution est technologiquement difficile à mettre en oeuvre. L'invention a pour objet une structure permettant d'assurer facilement les conditions de réciprocité ri- goureuse à un interféromètre réalisé par ailleurs de fa- çon quelconque. Cette structure impose à l'onde qui par- court l'interféromètre et qui est détectée d'être conte- nue dans un mode unique. Elle a plus précisément pour objet un dispositif interféromètrique en anneau du type comprenant des mo- yens optiques permettant de faire circuler en sens con- traire dans une boucle fermée, deux fractions d'un rayonnement cohérent, et des moyens permettant de détec- ter l'interférence des deux rayonnements après un par- cours de boucle, caractérisé en ce qu'on prévoit 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. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui suit, illustrée par les figures annexées dont le contenu est le suivant: - la figure 1 est un schéma de principe d'un inter- féromètre en anneau selon l'art connu. - la figure 2 est un schéma de principe d'un inter- féromètre selon l'invention. - les figures 3 à 6 représentent des exemples de réalisation de filtres de mode. - la figure 7 est une disposition intéressante d'un filtre de mode par rapport au faisceau. - les figures 8 à 10 schématisent des variantes de l'arrangement de différents éléments dans l'interféro- mètre selon l'invention. - la figure 11 est un exemple d'interféromètre en anneau selon l'invention. La figure 1 montre un schéma de principe d'un inter- féromètre en anneau selon l'art connu. Le chemin optique de cet interféromètre est consti- tué du bras d'entrée 1 et de l'anneau optique formé ici par les quatre tronçons rectilignes 2, 3, 4, 5, déter- minés par les trois miroirs réfléchissants 6, 7, 8. L'entrée de l'anneau est matérialisée par la lame semi- transparente 9. Le faisceau incident 10 arrive par le bras d'entrée 1, sur la lame semi-transparente 9. Cette lame en réfléchit dans le tronçon 2 une partie qui cons- titue le faisceau Il représenté par les flèches portant cette référence. Elle transmet l'autre partie, dans le tronçon 5, ce qui constitue le faisceau 12, représenté de même par les flèches portant cètte référence. Le faisceau 11 parcourt l'anneau de l'interféromè- tre en suivant dans l'ordre, les tronçons 2, 3, 4, 5, tandis que le faisceau 12 le parcourt en sens inverse, c'est à dire en suivant les tronçons 5, 4, 3, 2. Les deux faisceaux arrivent alors sur la lame semi-transpa- rente 9. Le faisceau Il est transmis en partie dans le bras 1 de l'interféromètre, et réfléchi en partie dans le bras 20. Le faisceau 12, lui, est réfléchi en partie dans le bras 1 et transmis en partie dans le bras 20. Deux portions de ces deux faisceaux interfèrent donc dans les bras 1 et 20. En absence de perturbations non réciproques, dans le bras 20, l'interférence est destructive et le signal détecté par le détecteur 23 est nul, tandis que dans le bras 1 l'interférence est constructive et le signal est maximal. Pour extraire du bras d'entrée 1, l'énergie à dé- tecter, on peut la séparer de l'énergie incidente, par exemple Dar une lame semi-réfléchissante, comme repré- sentée en 21 sur la figure 1. On détecte alors le signal provenant de l'interférence d'une partie des faisceaux Il et 12 dans le bras 22, à l'aide du détecteur 24. En pratique, un tel interféromètre n'est jamais strictement réciproque. Il faut, pour cela, qu'il soit parcouru par une-onde contenue dans un seul mode opti- que. L'objet de l'invention est d'intercaler un filtre de mode sur le bras de l'interféromètre pour satisfaire à cette condition. Un filtre de mode est une structure présentant des pertes infinies pour toute onde exceptée une solution particulière. En l'intercalant sur un faisceau lumineux, l'énergie émise par la source dont est issue ce faisceau n'est pas entièrement, ou pas exactement dans le mode propre du filtre, et seule la projection de cette éner- gie sur ce mode traverse le filtre. Si on intercale un tel filtre sur le bras d'entrée de l'interféromètre, l'onde pénétrant dans l'interféro- mètre proprement dit est donc atténuée, mais contenue dans un mode unique, bien défini. Après parcours de la boucle optique de l'interféromètre et recombinaison par la lame séparatrice, la fraction d'énergie optique ob- tenue par interférence des deux ondes dans le bras de l'interféromètre, présente une structure de mode com- plexe. En général, la projection de cette énergie sur le mode propre du filtre, le m9me qu'à l'aller, est non nulle: cette fraction est atténuée mais contenue dans ce même mode unique et bien défini. En l'absence de phé- nomènes non linéaires, et, bien sûr, en l'absence de phénomènesnon réciproques proprement dits, la fraction d'énergie contenue, à l'aller comme au retour dans ce 2471 595 même mode est linéairement indépendante du reste d'éner- gie optique.. tout se passe comme si ce reste d'énergie n'existait pas, et les conditions d'unicité de mode né- cessaires et suffisantes à une réciprocité rigoureuse du dispositif sont satisfaites. En fait, pour la plupart des filtres de mode que l'on peut réaliser, la polarisation de l'onde traversant le filtre est un degré de liberté supplémentaire, c'est à dire que, en fait, le filtre-est bimode. Lorsque les constantes de propagation, les distributions d'intensité ou les pertes de ces deux modes diffèrent franchement, cela suffit à les séparer. Si, au contraire, les deux modes sont quasi-dégénérés, l'un des deux peut être re- jeté par un polariseur, Nicol, Glan, film polarisant-, polariseur intégré, etc....- La figure 2 est un schéma de principe d'un interfé- romètre en anneau selon l'invention. On y reconnait les différents éléments qui consti- tuent l'interféromètre de la figure 1, à savoir, le bras d'entrée 1, et la boucle optique constitué des tronçons 2, 3,- 4, 5, délimités par les miroirs 6, 7, 8. Leentrée de la boucle est matérialisée par la lame semi-transpa- rente 9, et le signal à détecter est extrait du bras d'entrée et envoyé sur le bras 22 par la lame sémi- transparente 21. On y voit en plus, intercalé sur le bras d'entrée 1, le dipsositif de filtrage de mode 30. Le faisceau incident 10 traverse ce dispositif, et la fraction qui en sort est contenue dans un mode unique. Cette fraction arrive sur la lame semi-transparente 9 pour y être séparée en deux faisceaux 11 et 12 qui par- courent l'anneau dans les deux sens. Une partie des deux faisceaux est reprise ensuite dans le bras 1 par la lame semi-transparente 9, et retraverse le disposi- tif de filtrage de mode 30. A la sortie, les deux faisceaux 11 et 12 que l'on envoit dans le bras 22 au moyen de la lame semi-transparente 21 sont contenus dans le même mode, ce qui rend l'interféromètre selon l'invention insensible aux perturbations dites récipro- ques. Le signal détecté par le détecteur 24 est donc une mesure sensible et stable de phénomènes non réci- proques. Dans le bras 20, on peut détecter à l'aide du dé- tecteur 23, un signal correspondant à l'interférence des deux faisceaux n'ayant pas retraversé le dispositif de filtrage de mode. On décrit ci-après, plusieurs exemples, non limi- tatifs, de réalisation de filtres de mode. La figure 3 représente un premier exemple de réali- sation d'un filtre de mode. C'est une cellule constituée par l'association d'un trou de filtrage 40 dans un écran opaque 41 et de deux lentilles 42 et 43. Les deux len- tilles sont disposées de telle sorte que leur plan focal coïncide avec le plan de l'écran 41. Seul le mode 47 re- présenté en trait plein peut traverser le filtre car il est focalisé sur le trou 40. Le mode 48, focalisant en 49 est arrêté. Pour que l'atténuation soit infinie en dehors du mode propre, il faut que les dimensions du trou de filtrage correspondent à la limite de diffrac- tion et que les lentilles respectent cette limite. C'est pratiquement impossible à réaliser. Pour amé- liorer la qualité du filtre, on peut associer plusieurs cellules de ce type, disposées en cascade, comme repré- senté sur la figure 4. La lentille 420 est intercalée entre les deux écrans 41 et 410 percés de trous 40 et 400 alignés sur l'axe du système. Un autre exemple de réalisation d'un filtre de mo- de est représenté sur la figure 5. C'est un guide d'onde 46 réalisé en optique intégrée, par exemple par diffu- sion de titane dans un substrat cristallin de niobate de lithium représenté en 45 sur la figure 5. Ce composant est associé a deux lentilles 42 et 43, pour coupler les rayonnements incidents et émergents au- guide. La lentille 42 focalise le faisceau incident 100 sur l'entrée du guide 46 délimité dans le substrat et la lentille 43 récupère le faisceau sortant pour en fai- re un faisceau parallèle. On sait réaliser un guide d'onde intégré monomode, ce qui évite l'utilisation de polariseurs. La figure 6 représente un troisième type de filtre de mode. Il est réalisé à l'aide d'une fibre optique 50 couplée par deux lentilles 42 et 43. Dans ce cas, on sait réaliser une fibre optique strictement monontode, en agissant sur différents para- mètres, tels que la forme de la section de la fibre, la contrainte à laquelle on la soumet, ou ltenroulement im- posé dont le rayon de courbure correspond à la transmis- sion d'un seul mode. Une fibre optique monomode de quel- ques centimètres représente un filtre de mode presque parfait. Il y a lieu cependant de prendre quelques précau- tions dans le positionnement de la fibre par rapport à l'axe du faisceau pour éviter les réflexions d'énergie vers les éléments optiques de couplage. Il est avanta- geux que les extrémités qui jouent chacune le rôle d'en- trée, soit à l'aller, soit au retour du faisceau,forment un angle non droit avec l'axe de propagation. On a repré- senté cette disposition sur la figure 7. La face d'entrée 51 de la fibre 50 fait un angle non droit avec l'axe 101 du faisceau incident 100. Il en est de même pour la face de sortie 52, qui joue le rôle d'entrée au retour du faisceau. Elle fait un angle non droit avec l'axe 106 du faisceau émergeant 105. Il est avantageux d'utiliser les mêmes précautions dans le cas d'un filtre intégré. Dans le cas très général o le filtre est en fait bimode, et o il est nécessaire d'utiliser au moins un polariseur pour le rendre parfaitement monomode, on peut mettre en oeuvre différentes configurations, équivalen- tes du point de vue du fonctionnement, comme représen- tées sur les figures 8 à 10. Sur la figure 8, on a placé le polariseur 32 après le filtre bi-mode 31, avant la lame semi-transparente 9. On peut, comme sur la figure 9, placer le polariseur 32 juste avant le filtre bi-mode 31. La configuration représentée sur-la-figure-1é uti--- s lise deux polariseurs. L'un 33, est placé sur le tronçon 2 de l'anneau de l'interféromètre, juste après la lame semi-transparente 9. L'autre, 33, est placé sur le tron- çon 5, également à côté de la lame 9. Les faisceaux 11 et 12 traversent ainsi les deux polariseurs. La figure Il représente un interféromètre en anneau dont le trajet est réalisé en fibre optique monomode, mais dont le coeur est constitué d'éléments optiques traditionnels. L'addition du filtre de mode rend un tel interféromètre strictement réciproque. Le faisceau incident 10 traverse le filtre de mode et se sépare en deux sur la lame semi-transparente 9. Une partie du faisceau est envoyée dans la fibre op- tique 60 par l'intermédiaire de la lentille 61 qui le focalise sur l'entrée 63 de la fibre, tandis que l'autre partie du faisceau est envoyée sur cette même fibre 60 par l'intermédiaire de la lentille 62 qui le focalise sur l'entrée 64 de cette fibre. Les deux faisceaux par- courent la fibre en sens inverse et sont repris dans le bras de l'interféromètre par la lame semi-transparente 9. Ils retraversent le filtre de mode 30, et sont séparés du faisceau incident par la lame semi-transparente 21 qui les envoit en partie dans le bras 22 dans lequel on détecte le signal d'interférence, sur le détecteur 24. La stabilité d'un interféromètre en anneau qui met en oeuvre les dispositifs décrits est limitée seulement par le bruit quantique de la lumière. Il devient possi- ble de mesurer l'effet des phénomènes non réciproques avec une sensibilité très grande, par exemple 10 frange. Si la disposition indiquée n'est pas utilisée, la sta- bilité dimensionnelle nécessaire à l'observation stable d'un déphasage de 10-8 frange est de l'ordre de 10 14 m, impossible à'obtenir en pratique. REVENDICATIONS 1. Dispositif interférométrique en anneau du type comprenant des moyens optiques permettant de faire circu- ler en sens contraire dans une boucle fermée, deux frac-' tions d'un rayonnement optique cohérent, et des moyens permettant de détecter l'interférence des deux rayonne- ments après un parcours de boucle, caractérisé en ce qu'on prévoit des moyens de filtrage permettant de sélec- tionner un mode particulier parmi tous les modes suscep- tibles de se propager dans la boucle et d'arriver sur le dispositif de détection. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de filtrage comprennent un filtre de mode ne transmettant qu'un seul mode. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de filtrage comprennent un filtre de mode associé A des moyens de polarisation. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de polarisation sont situés en amont de l'entrée de la boucle. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de polarisation sont situés à l'in- térieur de la boucle. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendica-- tions 1 à 5, caractérisé en ce que le filtre de mode comprend au moins une cellule constituée de lentilles ayant un plan focal commun dans lequel est situé un filtre spatial destiné à isoler le mode désiré. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que pour parfaire le filtrage, ce filtre est asso- cié à au moins une autre cellule de même nature, disposée en cascade. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que le filtre de mode com- prend au moins une portion de guide d'onde intégré sur un substrat, des moyens optiques étant prévus pour cou- 2471.595 pler les rayonnements optiques incidents et émergents aux extrémités du filtre. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractéri- sé en ce que la portion de guide d'onde intégré est une portion de guide d'onde monomode. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que le filtre de mode est un guide d'onde comprenant au moins une portion de fibre optique, des moyens optiques étant prévus pour coupler les rayonnements optiques incidents et émergents aux extrémités du filtre. 11. Dispositif selon la revendication 10, caracté- risé en ce que la portion de fibre optique est une por- tion de fibre optique monomode. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 8 à 11, caractérisé en ce que les faces du guide d'onde sont orientées par rapport aux directions de pro- pagation du faisceau de telle façon que l'énergie réflé- chie par ces faces tombe en dehors des moyens optiques de couplage. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 12, caractérisé en ce que la boucle de l'in- terféromètre comprend des miroirs. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 12, caractérisé en ce que la boucle de l'in- terféromètre comprend une fibre optique. 15. Gyromètre comportant un dispositif interféromé- trique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14. 16. Système de mesure sensible au champ magnétique comportant un dispositif interférométrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.