Brevet FR2508754A1 — publié le 19821231

Hydrophone a fibre optique avec capteur immergé passif La présente invention concerne un hydrophone a fibre optique avec capteur immergé passif. Un tel hydrophone comporte de manière connue - une source de lumière présentant une cohérence spatiale et temporelle, - une fibre optique monomode "d'aller" recevant et conduisant la lumière de cette source, - un capteur immergé passif sensible aux ondes acoustiques, ce capteur recevant la lumière conduite par la fibre d'aller et en modulant l'intensité selon la pression qui lui est appliquée par les ondes acoustiques, - une fibre optique "de retour" recevant et conduisant la lumière modulée par le capteur, - et un photo-détecteur recevant la lumière conduite par la fibre de retour pour fournir un signal de sortie représentatif de l'intensité de cette lumière et donc de la pression acoustique appliquée au capteur Les hydrophones utilisés actuellement sont constitués par des capteurs utilisant l'effet magnétostrictif ou piézoélectrique. Ces capteurs sont immédiatement suivis par des circuits électroniques actifs immergés qui posent des problèmes tels que l'amenée de la puissance électrique nécessaire et l'interaction entre les divers circuits.Le besoin d'un hydrophone ne nécessitant aucun circuit actif immergé a conduit au développement d'hydrophones à fibre optique qui peuvent être classés en deux catégories. La première comprend les hydrophones qui détectent les ondes acoustiques par l'intermédiaire des variations de phase d'une onde optique se propageant dans une fibre. Ils sont décrits dans les articles "Fiber optic hydrophone" de J.A. Bucaro et autres (J. Acoust. Soc. Am : vol 62 nO 5 p.1302 Nov.77) et "Measurement of small phase shift using a single-mode optical fiber interferometer" de D.A. Jackson et autres (Optics Letters vol.5 nO 4 p. 139 april 80). Malheureusement ces hydrophones sont susceptibles d'être gravement perturbés par de faibles différences de température et nécessitent un circuit électronique immergé de compensation.Ils ne sont donc pas passifs mais restent intéressants par leur grande sensibilité et par la souplesse de la fibre qui permet de créer des antennes de formes bien adaptées au problème à résoudre. La seconde catégorie inclue les hydrophones utilisant des mécanismes de transduction modulant l'intensité d'une lumière parcourant une fibre optique. Ces mécanismes sont nombreux. Certains sont décrits dans les articles suivants -"Proposed fiber-optic acoustios probe de R.L. Phillips (Optics Letters vol.5 nO 7 july 1980). -"Multimode coupled waveguide acoustic sensors" de E.F Carome et K.P. Koo (0pics Letters vol 5 n08 aug.1980). -"Acoustic sensing with a single coiled monomode fiber" de S.C. Rashleigh (Optics Letters vol 5 nO 9 sept.1980). "Schlierenmultimodefiber (optic hydrophone" de W.B. Spilîrnanet D.G. Mc Mahon (Appl. Phys lett.37 (2) july 1980). "Fiber microbend acoustic sensor" de J.N. Fields et J.H. Cole (Applied optics vol. 19 nO 19 october 1980). L'hydrophone selon la présente invention appartient à cette seconde catégorie. Les hydrophones connus de cette catégorie presentent le défaut d'être sensibles à des bruits notamment d'origine thermique et sont le siège de résonances mécaniques parasites. La présente invention a pour but la réalisation d'un hydrophone a fibre optique avec capteur immergé passif fournissant un rapport signal sur bruit amélioré et une bonne réponse en fréquence. Elle a pour objet un hydrophone a fibre optique avec capteur immergé passif, cet hydrophone comportant - une source de lumière présentant une cohérence spatiale et temporelle, - une fibre optique monomode "d'aller" recevant et conduisant la lumière de cette source, - un capteur immergé passif sensible aux ondes acoustiques, ce capteur recevant la lumière conduite par la fibre d'aller et en modulant l'intensité selon la pression qui lui est appliquée par les ondes acoustiques, - une fibre optique "de retour" recevant et conduisant la lumière modulée par le capteur, - et un photo-détecteur recevant la lumière conduite par la fibre de retour pour fournir un signal de sortie représentatif de l'intensité de cette lumière et donc de la pression acoustique appliquée au capteur, - cet hydrophone étant caractérisé par le fait que le capteur comporte lui-même - un transducteur piézoélectrique fournissant un signal électrique à haute impédance représentatif de la pression acoustique qui lui est appliquée, - et un interféromètre 13 du type Mach-Zehnder intégré, cet interféromètre comportant lui même - un plaquette 18 d'un matériau transparent dont l'indice optique varie par effet électro-optique sous l'action d'un champ électrique, - des guides optiques intégrés, ces guides étant formés dans une face de cette plaquette par des augmentations localisées permanentes de l'indice optique résultant d'un dopage du matériau, ces guides étant monomodes tant selon leur largeur que selon leur épaisseur, et formant - un guide d'entrée recevant et conduisant la lumière conduite par la fibre d'aller, - une jonction optique d'entrée en Y pour séparer la lumière du guide d'entrée en deux faisceaux de même intensité, - deux bras d'interféromètre de longueurs voisines pour conduire les deux faisceaux ainsi séparés, - une jonction optique de sortie en Y pour recombiner les deux faisceaux issus des deux bras, - et un guide de sortie 34 recevant la lumière ainsi recombinée et la transmettant à la fibre de retour 9, la longueur de ce guide étant suffisante pour qu'il ne puisse transmettre que son mode fondamental, - l'interféromètre comportant en outre des électrodes disposées au voisinage des bras d'interféromètre et alimentées par le transducteur piézoélectrique pour appliquer au matériau de l'un au moins de ces deux bras un champ électrique faisant varier la longueur optique d'un de ces deux bras par rapport à l'autre et pour faire varier ainsi l'intensité de la lumière transmise par le guide de sortie. De préférence les longueurs optiques des deux bras d'interférometre, en l'absence de champ électrique différent d'environ un quart de la longueur d'onde de la lumière de ladite source, - lesdites électrodes étant disposées pour appliquer aux deux bras d'interféromètre des champs électriques de sens opposés de manière à provoquer des variations d'indice optique de sens opposés dans le matériau cristallin qui les constitue, - la longueur d'action de ces électrodes sur chacun de ces deux bras étant supérieure à deux centimètres de manière à obtenir une grande sensibilité, - la distance entre ces deux bras étant inférieure à 100 micromètres de manière à éviter des écarts de température entre des deux bras. On voit que la présente invention utilise un capteur constitué par l'association d'un transducteur piézoélectrique classique et d'un tranducteur électro-optique. La réponse en fréquence est celle du transducteur piézoélectrique. Ce type de transducteur a été très étudié et est très performant. Les ondes acoustiques engendrent, grâce au transducteur piézoélectrique, une différence de potentiel qui est convertie en variation d'intensité lumineuse par l'intermédiaire du transducteur électrooptique. Ce dernier est un interféromètre de Mach Zehnder réalisé en optique intégré sur un matériau électro-optique, c'est-à-dire un cristal dont l'indice optique varie en fonction du champ électrique. Les perturbations dues à la température et à la pression statique sont réduites car elles sont communes aux deux bras de l'interféromètre qui sont formées d'un même matériau et qui sont très proches l'un de l'autre. L'adaptation d'impédance entre ces deux transducteurs est bonne car le transducteur éleetro-optique représente une impédance (capacitive) beaucoup plus grande que celle du capteur piézoélectrique dont le fonctionnement n'est pas perturbé. On peut remarquer qu'une utilisation dtun interféromètre de Mach Zehnder en optique intégrée a déjà été décrite pour un domaine technique d'application très différent par C.H.Bulmer et autres dans l'article "Linear interferometric waveguide modulator for electromagnetic field détection" (Optics letters, vol 5 nO 5 p. 176 may 1980). Dans cette utilisation un signal électrique provenant d'une antenne radioélectrique est appliqué à un modulateur électro-optique. Le but de l'association antenne-module électrooptique est de réduire les perturbations dues aux fils électriques et de pouvoir employer de petites antennes de mesure car le modulateur présente une faible capacité électrique.Dans cette application et dans toutes celles connues à ce jour, la bande passante est importante, et la sensibilité du modulateur est faible. Dans l'hydrophone selon l'invention la bande passante de l'interféromètre est au contraire faible (quelques dizaines de kHz) et la sensibilité du modulateur électro-optique est grande. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures, il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue d'ensemble d'un hydrophone selon l'invention. la figure 2 représente une vue en perspective de l'interféromètre de cet hydrophone. Il doit être noté que tous les systèmes accessoires tels que éléments optiques, éléments de réglage, système d'injection de lumière dans les fibres, système de couplage entre les fibres et le modulateur, le transducteur piézoélectrique, les circuits électroniques etc.... ne sont pas détaillés car ils sont bien connus de l'homme de l'art. Compte tenu de ce qui précéde l'hydrophone comporte - une source laser 1 cohérente spatialement et temporellement et émettant une lumière polarisée rectilignement. - Une lame séparatrice 2 divisant le faisceau initial en deux faisceaux 3 et 4. Le faisceau 4 arrive sur un photodétecteur de référence 5 et a une intensité beaucoup plus faible (100 fois plus faible) que celle du faisceau 3. Il sert uniquement de référence pour éliminer les perturbations dues aux fluctuations d'intensité du laser. - Un système d'injection 6 de la lumière laser. - Une fibre unimodale 7 d'aller. - Un capteur acoustique 8 immergé passif recevant la lumière et la modulant selon les ondes acoustiques qu'il reçoit. - Une fibre unimodale ou multimodale de retour 9. - Un photodétecteur de réception 10. - Un circuit électronique 11 qui élimine les fluctuations d'intensité de la source 1 et fournit un signal représentatif des ondes acoustiques reçues par le capteur, ce circuit recevant pour cela les signaux de sortie des photodétecteurs 5 et 10. Le capteur acoustique immergé passif 8 est composé par - Un transducteur piézoélectrique 12 recevant les ondes acoustiques et fournissant un signal électrique de transduction. - Et un transducteur électro-optique 13 recevant ce signal électrique de transduction et modulant la lumière amenée par la fibre d'aller. Ce transducteur est réalisé en optique intégrée sur un matériau électro-optique sous forme d'un interféromètre de Mach Zehnder et comporte - Une plaquette 18 constituée d'un matériau transparent dont l'indice optique varie par effet électro-optique sous l'action d'un champ électrique créé par le signal électrique de transduction. - Des guides optiques monomodes tant selon leur largeurs que selon leurs épaisseurs, à savoir - Un guide d'entrée 20 recevant la lumière amenée par la fibre d'aller. - Une jonction optique d'entrée en Y 22 pour séparer la lumière provenant du guide d'entrée en deux faisceaux de même intensité. - Deux bras d'interféromètre 24, 26 pour conduire les deux faisceaux ainsi séparés qui subissent une variation de longueur optique sous l'action du signal électrique de transduction. Ces deux bras présentent une différence de longeur optique d'environ un quart de longueur d'onde pour maximiner la sensibilité de l'interféromètre et donner une variation linéaire d'intensité en fonction du faible signal électrique de transduction. - Deux électrodes 28, 30 déposées sur la face utile de la plaquette sur les deux bras pour leur appliquer un champ électrique qui est crée par le signal électrique de transduction et qui induit une variation d'indice optique Les lignes de champ électrique se referment par l'intérieur de la plaquette de sorte que les sens du champ sont opposés dans les deux bras, ce qui induit de variations d'indice de sens opposés. - Une jonction optique de sortie en Y 32 pour recombiner les deux faisceaux issus des deux bras. - Un guide de sortie 34 recevant la lumière ainsi recombinée et la transmettant à la fibre optique de retour. Ce guide de sortie représente une longueur suffisante pour ne transmettre que le mode fondamendal. Suivant la différence de phase entre les faisceaux venant des deux bras et induite par le signal électrique de transducteur, la recombinaison fournit un mode fondamental d'intensité variable. Plus particulièrement la source laser 1 est un laser He-Ne émettant à 0,6 micron de longeur d'onde; Les fibres 7 et 9 doivent être peu sensibles aux perturbations extérieures. Pour cela elles doivent présenter une grande différence d'indice (10-2 par exemple) entre le coeur et la gaine, et être logées dans un câble de protection. Dans l'exemple de réalisation décrit sur la figure 1, la fibre monomode 7 d'aller maintient la polarisation rectiligne (longueur de battement de 1cm par exemple) et la sensibilité du modulateur peut, de ce fait, être rendue maximale. Il est possible d'utiliser une fibre conservant une polarisation circulaire par l'emploi d'une fibre peu biréfringente et tortillée (20 tours par mètre par exemple). La lumière injectée dans la fibre doit alors être polarisée circulairement. Le transducteur électro-optique peut être branché directement à la sortie de la fibre mais sa sensibilité devient la moyenne des sensibi- lités correspondant aux deux états de polarisation (mode T E et mode T M). Il est alors cependant préférable d'associer un dispositif (fibre optique biréfringente jouant le rôle d'une lame quart d'onde) transformant la polarisation circulaire en polarisation rectiligne. Lorsque la fibre d'aller 7 ne conserve pas un état de polarisation stable, il faut employer un modulateur insensible à la polarisation celui-ci est plus difficile à réaliser et est moins sensible qu'un modulateur utilisant une polarisation rectiligne. A titre d'exemple, le modulateur est fabriqué avec une plaquette monocristalline de niobate de lithium de coupe Z et où la lumière se propage suivant l'axe X. Les guides d'onde optique sont fabriqués par la technique classique de diffusion de titane. Les principales caractéristiques du transducteur électro-optique sont : 3 micromètres pour la largeur de tous les guides : 2mm pour la longueur des guides d'entrée et de sortie : un angle de 1,50 entre les branches des Y ; une longueur des deux bras de 30mm. En réalité ces deux bras ont une longueur optique légèrement différente d'environ un quart de longueur d'onde. L'espacement entre les bords intérieurs des bras est de 25 micromètres. Deux électrodes dont les longueurs sont sensiblement égales à celles des bras et dont les largeurs sont légèrement supérieures sont déposées sur les guides. Une couche de Si02 d'environ 1000t d'épaisseur peut être déposée entre les électrodes et les guides d'onde pour éviter une trop grande atténuation des ondes optiques. Ce transducteur a' son maximum de sensibilité pour une propagation utilisant le mode T.M. C'est donc ce mode qui est injecté dans le guide d'entrée. L'exemple étudié utilise une longueur d'onde optique de 0,6 micromètre. Par rapport à une longueur d'onde plus grande (0,8 micromètre par exemple) le modulateur est plus sensible mais l'atténuation des fibres est plus importante et le matériau électro-optique supporte une moins grande intensité lumineuse. Suivant les applications un compromis doit être trouvé pour optimiser le système. REVENDICATIONS 1/ Hydrophone a fibre optique avec capteur immergé passif, cet hydrophone comportant - une source de lumière (1) présentant une cohérence spatiale et temporelle, - une fibre optique monomode "d'allerz (7) recevant et conduisant la lumière de cette source, - un capteur immergé passif (8) sensible aux ondes acoustiques, ce capteur recevant la lumière conduite par la fibre d'aller et en modulant l'intensité selon la pression qui lui est appliquée par les ondes acoustiques, - une fibre optique "de retour" (9) recevant et conduisant la lumière modulée par le capteur, - et un photo-détecteur (10) recevant la lumière conduite par la fibre de retour pour fournir un signal de sortie représentatif de l'intensité de cette lumière et donc de la pression acoustique appliquée au capteur, - cet hydrophone étant caractérisé par le fait que le capteur (8) comporte lui-même - un transducteur piézoélectrique (12) fournissant un signal électrique à haute impédance représentatif de la pression acoustique qui lui est appliquée, - et un interféromètre (13) du type Mach-Zehnder intégré, cet interféromètre comportant lui même - un plaquette (18) d'un matériau transparent dont l'indice optique varie par effet électro-optique sous l'action d'un champ électrique, - des guides optiques intégrés, ces guides étant formés dans une face de cette plaquette par des augnentations localisées permanentes de l'indice optique résultant d'un dopage du matériau, ces guides étant monomodes tant selon leur largeur que selon leur épaisseur et formant - un guide d'entrée (20) recevant et conduisant la lumière conduite par la fibre d'aller (7), - une jonction optique d'entrée en Y (22) pour séparer la lumière du guide d'entrée en deux faisceaux de même intensité, - deux bras d'interféromètre (24, 26) de longueurs voisines pour conduire les deux faisceaux ainsi séparés, - une jonction optique de sortie en Y (32) pour recombiner les deux faisceaux issus des deux bras, - et un guide de sortie (34) recevant la lumière ainsi recombinée et la transmettant à la fibre de retour (9), la longueur de ce guide étant suffisante pour qu'il ne puisse transmettre que son mode fondamental, - l'interféromètre comportant en outre des électrodes (28, 30) disposées au voisinage des bras d'interféromètre et alimentées par le transducteur piézoélectrique (12) pour appliquer au maté riau de l'un au moins de ces deux bras (24, 26) un champ électrique faisant varier la longueur optique d'un de ces deux bras par rapport à l'autre et pour faire varier ainsi l'intensité de la lumière transmise par le guide de sortie (34). 2/ Hydrophone selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les longueurs optiques des deux bras d'interféromètre (24, 26) en l'absence de champ électrique différent d'environ un quart de la longueur d'onde de la lumière de ladite source (1), - lesdites électrodes étant disposées pour appliquer aux deux bras d'interféromètre (24, 26) des champs électriques de sens opposés de manière à provoquer des variations d'indice optique de sens opposés dans le matériau cristallin qui les constitue, - la longueur d'action de ces électrodes sur chacun de ces deux bras étant supérieure à deux centimètres de manière à obtenir une grande sensibilité, - la distance entre ces deux bras étant inférieure à 100 micromètres de manière à éviter des écarts de température entre des deux bras.