Brevet FR2535843A1 — publié le 19840511

La présente invention se rapporte a un gyroscope a interférometre a fibre optique utilisant lteffet Sagnac. L'utilisation d'un enroulement a plusieurs tours de fibre optique, dans laquelle, au moyen de diviseurs et de combineurs de faisceau, la lumiere d'un seul laser est propagée dans les deux directions simultanément pour produire des signaux de sortie sensibles à la rotation sur un photodétecteur,est connue. Un tel arrangement est décrit, par exemple, dans l'article "Sensitivity analysis of the Sagnaceffect optical-fibre ring interferometer" de Shih-Chun Lin et Thomas G. Giallorenzi paru dans la revue "Applied Optics", vol. 18, nO 6, 15 mars 1979. Quand les signaux de sortie sont combinés, on obtient des figures de franges d'interférence qui, dans un systeme fixe, forment une trame fixe dont la forme dépend de la nature de l'optique formant l'image.Si le systeme tourne autour de l'axe de l'enroulement, des déplacements de frange ont lieu et, par un traitement approprié, l'information de vitesse de rotation peut être extraite. Selon les détails physiques du systeme (longueur d'onde de fonctionnement A, longueur de fibre L, etc.) et la gamme de vitesses de rotation à mesurer, on peut envisager des systèmes fonctionnant avec une seule frange ou sur plusieurs franges. En considérant d'abord un fonctionnement avec mesure d'une seule frange, un examen de la forme du signal de sortie montre qu'il y a des difficultés de mesure, parmi lesquelles les trois suivantes i) la nature statique de la sortie du capteur (signal continu pour une vitesse angulaire constante); ii) la non-linéarité du courant de sortie en fonction de l'écart de phase ; et iii) le niveau de piédestal provenant des signaux optiques parasites. Le systeme de base homodyne peut être amélioré, comme l'ont montré S-C. Lin et T.G. Giallorenzi, en prenant une seconde figure de frange complémentaire et en l'appliquant à un amplificateur différentiel. Le déphasage différentiel de cent quatre-vingts degrés dans la seconde frange peut être obtenu de manière convenable en prévoyant une réflexion supplémentaire dans son trajet de transmission. Cette technique élimine les signaux en mode commun, en particulier le niveau moyen du bruit (c'està-dire le signal de piédestal). Un autre avantage de cet arrangement est que les deux sorties peuvent donner une mesure de l'énergie totale à la sortie du capteur et qu'un signal de commande de réaction peut être dérivé pour maintenir constante la puissance de la source. Il est difficile cependant, d'obtenir une stabilité convenable dans de tels systèmes continus et, de plus, on peut avoir un bruit à basse fréquence notable avec certains détecteurs. Une translation de la mesure à une fréquence intermédiaire élimine ces problèmes. La modulation du signal d'entrée peut produire un système de mesure alternatif. S-C. Lin et T.C. Giallorenzi suggèrent certains principes pour effectuer la modulation et la détection synchrone dans un système homodyne. Quelle que soit la manière dont une telle modulation est produite, il est clair que les signaux optiques se propageant en sens inverse doivent être séparés et qu'une perturbation de phase differentielle doit être appliquée. Selon la présente invention, il est prévu un gyroscope à interféromètre à fibre optique qui comprend des moyens pour appliquer une première modulation de phase dans le trajet optique en boucle pour des périodes alternées de durée T, où T est le temps de transit dans la boucle optique, des moyens pour appliquer une seconde modulation de phase dans la boucle pour des périodes alternees de durée 2T, des moyens pour commuter la source de lumière de la boucle pour des périodes alternées de durée T en synchronisme avec lesdites périodes de la première modulation de phase, qui, à leur tour, sont synchronisées avec les périodes de la seconde modulation de phase, et des moyens de commande à réaction auxquels la sortie du gyroscope est appliquée, lesdits moyens de commande à réaction produisant des signaux de commande verrouillés en phase pour les moyens de modulation de phase. L'invention prévoit aussi un procédé pour faire fonctionner un gyroscope à interféromètre à fibre optique, asymétriquement dans le temps, selon lequel une première modulation de phase à une fréquence f = 1, ou # est le temps de transit optique dans la boucle 21 de fibre optique, est appliquée aux signaux optiques dans la boucle en synchronisme avec à la fois une seconde modulation de phase à une fréquence f' = É et une commutation de la source de lumière pour le 1 gyroscope à une fréquence f = , l'amplitude et le sens de la modu 2# lation à la fréquence f = 1/2# étant commandés par un signal de réaction dérivé de la sortie de l'interféromètre et étant une mesure de la vitesse de rotation. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-apres et des dessins joints où - la figure 1 représente schématiquement un gyroscope à fibre optique selon l'invention; - la figure 2 montre la caractéristique de sortie d'écart de phase d'un système de base de gyroscope à fibre optique; - la figure 3 représente des formes d'onde d'excitation et les réponses en phase associées pour l'arrangement tesla figure 1 ; et - la figure 4 est un schéma d'une forme de modulateur et annulateur de phase intégrés pour utilisation avec l'arrangement de la figure 1. Le gyroscope à fibre optique de la figure 1 consiste essentiellement en un enroulement à une seule ou à plusieurs spires de fibre optique 10 qui est couplée par des lentilles de focalisation 11, 12 et par un diviseur de faisceau équilibré 13 à un laser 14 et à un photodétecteur 15 (nous laisserons de côté pour le moment les autres composants de la figure). La lumière envoyée par le laser 14 est divisée de manière égale par le diviseur de faisceau 13 et couplée à chaque extrémité de la fibre 10, où elle se propage dans l'enroulement dans les deux directions, simultanément. Après émergence, les deux sorties de lumière de la fibre sont chacune divisées de nouveau de manière égale par le diviseur de faisceau 13 et la moitié de chaque sortie atteint le photodétecteur 15.Les deux demi-sorties atteignant le photodétecteur vont interférer entre elles dans le plan de photodétecteur. En général, la superposition des deux ondes de sortie se traduit par une figure d'interférence formée d'anneaux d'interférence concentriques. Dans un système optique bien ajusté, seule la frange centrale est présente et cette zone centrale est focalisée sur le photodétecteur. Si maintenant le gyroscope tourne autour de l'axe de l'enroulement, des différences de phase se produisent dans les deux sorties de la fibre, ce qui donne lieu à un changement d'intensité de la lumière sur le photodétecteur. La réponse du photodétecteur à l'écart de phase variable A6 résultant de la rotation aura la forme représentée sur la figure 2, où le courant de sortie i est à un pic central pour une vitesse de rotation nulle, tombe à un premier zero,puis monte à un second pic et ainsi de suite à mesure que la vitesse de rotation est augmentée. Pour éliminer la nature continue inhérente de la sortie quand on fait tourner le gyroscope à une vitesse angulaire constante, on peut utiliser une modulation de phase des signaux optiques. Pour montrer comment cette modulation de phase est accomplie, considérons un déphaseur 18, de type électro-optique ou autre, placé à une extrémité de la bouche ou enroulement de fibre de la figure 1. Ce déphaseur est commandé par un modulateur de phase 19 qui applique un signal de polarisation au déphaseur pendant des périodes alternees de durée T, où Test le temps de transit optique dans la boucle ou enroulement 10.Par suite de la disposition asymétrique du déphaseur 18, un transit sur deux de l'onde dans le sens des aiguilles d'une montre supportera un incrément de phase dérivé électriquement et les transits alternés de l'onde dans le sens inverse des aiguilles d'une montre subiront un déphasage identique. Ceci entralne une modulation de phase sur le signal de Sagnac à une fréquence 2T avec une modulation d'amplitude résultante à la sortie du photodétecteur de l'interféromètre. En ajoutant une commutation synchrone de la sortie du laser, il est possible d'appliquer le déphasage commandé extérieurement à une seule des ondes se propageant en sens inverse. Ceci est la base pour annuler le signal de Sagnac et pour faire fonctionner le capteur dans un circuit en boucle fermée à annulation de phase. Ce mode de fonctionnement est celui illustré en réalité schématiquement sur la figure 1, le déphaseur 18 formant l'annulateur de phase en liaison avec la source laser commutée en synchronisme. La modulation est maintenant appliquée dans un second déphaseur électro-optique 16 qui est aussi interposé entre la lentille 11 et l'extrémité de la fibre et est attaqué par un annulateur de phase 17 qui applique un signal de polarisation pour des périodes alternées de durée 2T. En raison de la disposition asymétrique du déphaseur 16 et de la phase relative des ondes d'excitation des déphaseurs 16 et 18, comme on le voit sur la figure 3, un transit sur deux du signal optique dans le sens des aiguilles d'une montre subira un incrément de déphasage dérivé électriquement et les transits alternés dans le sens inverse des aiguilles d'une montre subiront un déphasage identique. Ceci conduit à une modulation de phase du signal de Sagnac à une fréquence 4T avec une modulation d'amplitude résultante sur la sortie du photodétecteur de l'interféromètre. Sans déplacement de phase Sagnac et avec un signal de modulation zéro applique au déphaseur 18, il y aura une composante de modulation zéro à la fréquence 4T a la sortie du photodétecteur. Cette situation correspond à la pente de la courbe de la figure 2 au point de phase zéro. Inversement, la sortie du photodétecteur à la fréquence 4T aura sa valeur maximum quand l'écart de phase de Sagnac aura pris la valeur 2. L'action de la boucle de commande fermée 30 est, par l'intermédiaire de l'amplitude et du sens de la commande du déphaseur 18, d'entralner la différence de phase vers zéro.L'amplitude et le sens de la commande du déphaseur 18 dans cette condition de verrouillage de phase représentent alors une mesure de la vitesse de rotation. Il est opportun de fabriquer les deux déphaseurs électrooptiques 16 et 18 pour la modulation de phase et l'annulation de phase respectivement sous forme d'un dispositif optique intégré, comme le montre la figure 4. L'annulateur de phase 19 commande aussi la commutation de la source de lumière ]4. En pratique, ceci est obtenu à l'aide d'un modulateur d'amplitude électro-optique séparé (non représenté) à la sortie du laser, car cela est plus facile à mettre en oeuvre qu'unie commutation directe du laser lui-meme. Les formes d'onde d'excitation pour les deux déphaseurs et la commutation du laser ainsi que les signaux de réponse de modulation de phase associés sont donnés sur la figure 3.Des modulateurs de phase séparés sont préférables pour éviter le problème de filtrage qui surgirait si les deux formes d'onde de modulation étaient appliquées au meme modulateur. Un modulateur séparé pour le signal de polarisation permet aussi de le faire plus long pour traiter la condition de multifrange à l'extrémité supérieure de la gamme dynamique. Un avantage net de l'architecture de modulateur de phase est que, en raison de sa simplicité relative, elle forme un circuit idéal pour etre réalisée en optique intégrée. En fait, la totalité de l'optique, en dehors de l'enroulement de fibre, du laser et du détecteur, pourrait être combinée sur un seul circuit en optique intégrée à quatre accès. En ce qui concerne des considérations de système, les ondes se propageant en sens inverse sont de manière précise à la même fréquence et les différences de phase (de trajet) qui établissent la modulation de phase et les signaux d'annulation sont, dans un composant intégré monolithique, sous le plus haut degré de contrôle. Comme cela est représenté sur la figure 4, le dispositif optique intégré comprend un corps 20 en niobate de lithium ayant un canal de guidage optique 21 diffusé dans une surface, en général du titane diffusé. Deux jeux d'électrodes métalliques 22, 22a pour l'annulateur de phase, et 23, 23a pour le modulateur de phase, sont déposés sur la surface du corps adjacente au canal 21. Quand un jeu d'électrodes est polarise par une tension, un champ électrique est établi à travers le canal et ce champ modifie l'indice de réfraction du canal, ce qui provoque un déphasage imposé à la lumière passant le long du canal. Bien entendu, l'exemple de réalisation décrit n'est nullement limitatif de l'invention. REVENDICATIONS 1. Gyroscope à interféromètre à fibre optique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (18, 19) pour appliquer une première modulation de phase dans le trajet optique en boucle (10) pour des périodes alternées de durée T, oùT est le temps de transit dans la boucle optique, des moyens (16, 17) pour appliquer une seconde modulation de phase dans la boucle pour des périodes alternées de durée 2T, des moyens pour commuter la source de lumière (14) de la boucle pour des périodes alternées de durée T en synchronisme avec lesdites périodes de la première modulation de phase, qui, à leur tour, sont synchronisées avec les périodes de la seconde modulation de phase, et des moyens de commande à réaction (30) auxquels la sortie du gyroscope est appliquée, lesdits moyens de commande à réaction produisant des signaux de commande verrouillés en phase pour les moyens de modulation de phase. 2. Gyroscope selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour appliquer la première et la seconde modulations de phase comprennent des premier et second déphaseurs électro-optiques (18, 16) couplés à ou aux extrémités de la boucle (10)en fibre optique. 3. Gyroscope selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits déphaseurs électro-optiques (1S, 16) sont réalisés sous forme de dispositifs en optique intégrée comprenant chacun un guide d'ondes à canal diffusé (21) dans un corps de niobate de lithium (20) avec des électrodes de polarisation (22, 22a ; 23, 23a), adjacentes au canal, grâce auxquelles on peut moduler l'indice de réfraction du canal. 4. Gyroscope selon la revendication 3, caractérisé en ce que le canal (21) est formé par la diffusion de titane. 5. Gyroscope selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les premier et second déphaseurs (18, 16) sont tous deux formés comme un dispositif unique en optique intégrée ayant un canal commun (21) avec deux jeux d'électrodes de polarisation (22, 22a; 23, 23a). 6. Gyroscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la source de lumière (14) est un laser. 7. Gyroscope selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour commuter la source de lumière comprennent un dispositif optique de modulation d'amplitude à la sortie du laser 8. Procédé pour faire fonctionner un gyroscope à interféro- mètre à fibre optique,asymétriquement dans le temps, caractérisé en ce qu'une première modulation de phase à une fréquence f = 1/2#, où # est le temps de transit optique dans la boucle de fibre optique (10), est appliquée aux signaux optiques dans la boucle en synchronisme avec à la fois une seconde modulation de phase à une fréquence f' = 4T et une 4T commutation de la source de lumière (14) pour le gyroscope à une 1 fréquence f = 2#, l'amplitude et le sens de la modulation à la fréquence f = 1 étant commandés par un signal de réaction dérivé de 2# la sortie de l'interféromètre et étant une mesure de la vitesse de rotation.