Brevet FR2542868A1 — publié le 19840921

La présente invention concerne un type de capteur dans lequel le paramètre capté agit sur le capteur en changeant la lon- gueur du trajet optique d'une cavité de Fabry-Perot Un tel change- ment peut être décelé par analyse des effets d'interférence résul- tant de ce que l'on dispose la cavité optiquement en série avec une deuxième cavité de Fabry-Perot Pour que ces effets d'interférence se produisent, il est nécessaire que les deux cavités soient de longueur de trajet optique similaire, c'est-à-dire que la différen- ce de leurs longueurs de trajet optique doit être plus petite que la longueur de cohérence de la lumière utilisée pour observer les interférences. Chaque cavité se comporte comme un "filtre en peigne" dont les dents représentent d'étroites bandes passantes séparées en fréquence (en longueur d'onde) par une quantité qui dépend de la longueur de la cavité La finesse des dents dépend de la finesse de la cavité qui est une mesure de son facteur Q (facteur de qualité) et est déterminée par le coefficient de réflexion de ses surfaces terminales, par les pertes par absorption associées au milieu entre ces surfaces, et par les pertes dues au défaut d'alignement de ces surfaces Si la différence entre les longueurs de trajet optique de la première et de la deuxième cavités est un petit nombre entier de demi-longueurs d'onde, les dents de l'un des peignes vont corres- pondre à celles -de l'autre, avec le résultat que la lumière transmise par l'une des cavités ne sera que peu atténuée en traversant la deu- xième Ainsi, une transmission élevée est associée aux relations de phase O et 180 Toutefois, si la longueur du trajet optique de l'une quelconque des cavités change d'une petite quantité, de façon que la relation de phase s'éloigne de O' ou 180 , les dents de l'un des peignes cessent d'être en correspondance avec celles de l'autre, et la transmission disparaît rapidement. En arrangeant les longueurs de trajet optiques relatives des deux cavités de façon que la transmission de la combinaison soit approximativement 0,7 fois son maximum, on établit un régime dans lequel de très petits changements de phase relative produisent des changements dans la transmission relativement importants En principe un changement donné dans la transmission peut être mis en corréla- tion avec un changement donné dans la phase, mais cela exige la con- naissance de la forme précise de la fonction de transfert reliant les deux paramètres Pour cette raison, dans un système capteur Fabry-Perot, il est, au lieu de cela, généralement préférable d'u- tiliser un système de contre-réaction pour maintenir la phase relative des deux cavités en commandant un élongateur agissant sur la longueur du trajet optique de l'une des cavités, au moyen d'un signal d'erreur dérivé d'un détecteur mesurant la transmission de la combinaison de cavités. La cavité de Fabry-Perot classique consiste en deux réflecteurs plansparallèles écartés l'un de l'autre Pour certaines applications, l'espace entre les surfaces réfléchissantes est occu- pé par de l'air, tandis que, pour certains travaux critiques, on préfère le vide de façon que le fonctionnement du dispositif ne soit pas compromis par des changements d'indice de réfraction induits par des changements de la température ambiante La présente invention se rapporte aux cavités guide d'ondesdans lesquelles le milieu de transmission entre les surfaces réfléchissantes est fourni par une struc- ture de guide d'ondes optiques qui peut, par exemple, être une fibre optique ou un canal de guidage d'onde défini dans une plaque de ma- tière diélectrique Une construction de ce type de cavité guide d'ondes est décrite, par exemple, par S J Petuchowski et al dans un articule intitulé "Sensitive Fiber-Optic Fabry Perot Interferometer" paru dans la publication périodique "IEEE Journal of Quantum Electronics", volume QE-17, N O li, novembre 1981, pages 2168 à 2170. Un avantage d'une cavité guide d'ondessur l'équivalent optique sans réflexions latérales est que l'obligation de planeité et de parallélisme des surfaces, nécessaire pour éviter l'évanouis- sement du faisceauoptique, est nettement moins impérative Ceci est dû à ce que la lumière réfléchie par une surface sera encore réflé- chie tant qu'elle aura une incidence comprise dans l'angle d'accepta- tion du guide d'ondes. En outre, la cavité guide d'ondesest intrinsèquement plus robuste du fait que les surfaces sont une partie intégrante de la structure et ne peuvent donc pas être désalignées, ce qui la tend particulièrement apte à des applications de capteur en environnement hostile. Avec ce type de cavité, la longueur du trajet optique dépend de la température et, par conséquent, il faut soit assurer une stricte régulation de température, soit prendre des dispositions pour quantifier et compenser les erreurs systématiques résultant des effets thermiques La présente invention concerne en particulier cette dernière approche et utilise une cavité de référence mise en étroit couplage thermique avec la cavité capteur pour l'évaluation des effets induits par la'température. Selon la présente invention, il est prévu un capteur comportant une première boucle de contre-réaction régulatrice pour maintenir une relation de phase prédéterminée entre la longueur du trajet optique d'une cavité capteur guide d'ondesde Fabry-Perot et la longueur du trajet optique d'une autre cavité guide d'ondes de Fabry-Perot qui possède une longueur de trajet optique similaire et qui est optiquement en série avec la cavité capteur, en comman- dant la longueur de trajet optique de l'une de ces deux cavités, tandis que la longueur de trajet optique de la cavité capteur est modulée par le paramètre capté, et, selon l'invention, il est prévu une deuxième boucle de contre-réaction régulatrice pour maintenir une relation de phase prédéterminée entre une cavité guide d'ondesde référence de Fabry-Perot, laquelle est en étroit couplage thermique avec la cavité capteur et présente une-construction et une longueur d trajet optique similaires mais n'est pas modulée par le paramètre capté, et celle de la cavité optiquement en série avec la cavité cap- teur ou celle d'une autre cavité guide d'ondesde Fabry-Perot qui est en étroit couplage thermique avec la cavité en série avec la cavité capteur et est de construction et longueur de trajet optique similaires, par commande de la longueur de trajet optique de la cavité de référence ou de ladite autre cavité. Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, fai- te à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures Z 542868 annexées qui représentent la figure 1, une représentation schématique d'un cap- teur dans lequel les moyens capteurs optiques sont éloignés des moyens analyseurs optiques et des moyens électro- niques de détection; la figure 2, une représentation schématique d'un cap- teur dans lequel les moyens capteurs optiques ne sont pas éloignés des moyens détecteurs optiques; et la figure 3, une représentation schématique d'une ver- sion à moyens optiques intégrés du capteur selon la figure 2. En considérant la figure 1, de la lumière provenant d'une source 1, laquelle peut être une diode à semiconducteur opérant juste en-dessous du seuil afin d'obtenir une grande brillance et une faible divergence en vue d'un couplage efficace à des fibres monomodes, est envoyée dans deux fibres monomodes, 2 et 3, et envoyée à une station éloignée o se trouvent deux cavités guide d'ondesde Fabry-Perot, 4 et 5, ayant des trajets optiques de lon- gueurs similaires, délimitées par des paires de faces réfléchis- santes 6 Une partie de la longueur de fibre à monomode définis- sant la longueur du trajet optique de la cavité 4, laquelle est la "cavité capteur", est revêtue d'une couche 7 d'une matière magnéto- strictive qui peut être un verre métallique fait, par exemple, d'al- liage Fe 80 B 20 pour rendre la longueur de la cavité sensible à des changements du champ magnétique appliqué Les cavités 4 et 5 sont disposées côte-à-côte sur un substrat commun assurant un bon équilibre thermique, de sorte qu'elles sont thermiquement couplées étroitement, d'une manière telle que les variations de température dans l'une quel- conque d'entre elles seront accompagnées par des variations équiva- lentes de la température de l'autre. La lumière sortant de ces deux cavités 4 et 5 est injectée dans deux autres fibres à monomodes, 9 et 10, qui envoient la lumière à un point éloigné o se trouvent deux autres cavités 11 et 12 dont la construction et la longueur de trajet optique sont simi- laires à celles des cavités 4 et 5 La cavité Il est optiquement en série avec la cavité capteur 4 et est pourvue d'un élongateur piézoélectrique 13 pour moduler la longueur de son trajet optique. De façon similaire, la cavité 12 est optiquement en série avec la cavité de référence 5 et est pourvue d'un élongateur piézoélectrique 14 Ces deux cavités sont montées sur un substrat commun conçu pour assurer qu'elles sont en étroit couplage thermique mutuel, et les sorties optiques sont amenées à des photodétecteurs séparés, 16 et 17 La sortie du photodétecteur 16 est utilisée dans une première boucle de contre-réaction régulatrice (non représentée), pour polari- ser l'élongateur 13 afin de maintenir la longueur du trajet optique de la cavité Il de façon telle que la sortie du photodétecteur soit à un niveau prédéterminé, approximativement égal à 0,7 fois la valeur de crête correspondant à la transmission maximale de la combinaison formée par les cavités 4 et 11 en tandem De manière si- milaire, la sortie du photodétecteur 17 est utilisée dans une deuxième boucle de contre-réaction régulatrice (non représentée), pour polaris E l'élongateur 14 afin de maintenir un niveau similaire à la sortie du photodétecteur 17. Le capteur est calibré dans des conditions dans lesquelles le champ magnétique appliqué est nul, pour fournir des signaux de contre-réaction régulateurs S et S O respectivement relatifs à la bou- cle régulatrice avec capteur, incluant le photodétecteur 16, et la boucle régulatrice de référence incluant le photodétecteur 17 Par la suite, en présence d'un champ magnétique, les signaux de régulation pa contreréaction sont 51 et si, S 1 étant en général, du fait des changements de température, différent de S En supposant la linéarité des caractéristiques de transfett pour les changements de longueur de trajet optique provoqués par magnétostriction et par piézoélectricité, il s'ensuit que le champ magnétique appliqué a une amplitude proportionnée à ( 51 50) (s 1 -s O). Le capteur selon la figure 1 utilise quatre cavités Tou- tefois, avec un agencement tel que la cavité capteur comporte aussi un élongateur piézoélectrique, il est possible que la cavité cap- teur et la cavité de référence soient "optiquement en série" avec une autre cavité commune Cette autre cavité peut elle-même constituer la source optique du système, fournie par un laser monomode Un tel agencement est représenté à la figure 2 La sortie d'un laser monomode 20 alimente un coupleur de dérivation, à 3 d B, repéré par la référence 21, envoyant la lumière dans deux fibres optiques monomodes 22 et 23,qui sont respectivement couplées à la ca- vité capteur 24 et à la cavité de référence 25, respectivement dé- finies par des paires de surfaces réfléchissantes 26 La lumière émergeant de ces cavités est dirigée respectivement sur des photo- détecteurs 27 et 28 Le milieu de transmission de la cavité 24 est pourvu d'un revêtement magn Ctostrictif 29 et d'un élongateur piézoélectrique 30, tandis que lé milieu de transmission de la cavité 25 est pourvu d'un élongateur piézoélectrique 31 Les deux cavités 24 et 25 sont mises en couplage thermique mutuel étroit par un substrat commun 32 Des boucles de contre-réaction régulatrices (non représentées> lient la sortie du photodétecteur 27 à l'élon- gateur 30 et la sortie du photodétecteur 28 à l'élongateur 31, pour agir de la même manière que les boucles de contre-réaction régu- latrices correspondantes du capteur de la figure 1 Le laser 20 doit avoir une cavité étendue ayant une longueur optique similaire à celle des cavités 24 et 25, et cela peut être obtenu au moyen d'une pastille laser en semiconducteur 20 a, de longueur classique, couplée par un couplage antiréflexion à une longueur de guide d'ondes b se terminant sur une surface fortement réfléchissante 20 c. La figure 3 décrit une réalisation optique intégrée d'un capteur opérant selon les mêmes principes généraux que le cap- teur selon la figure 2 Dans cet exemple, une configuration guide d'ondesoptiquesintégrée est formée dans un substrat diélectrique piézoélectrique 33, en niobate de lithium par exemple Un laser mono- mode 34, alimente un coupleur en Y 35 qui, à son tour, ali- mente une paire de cavités guidesd'ondesde Fabry Perot, 36 et 37, dont les sorties sont couplées à des photodétecteurs 38 et 39 Ces deux cavités sont pourvues chacune d'électrodes polarisantes 40 au moyen desquelles les longueurs de leurs trajets optiques peuvent être allongées et la cavité 36 est couverte d'un film magnétostric- tif qui peut être en verre métallique pour la rendre sensible aux champs magnétiques appliqués Des boucles de contre-réaction régulatri- ces (non représentées) sont prévues de la même manière, pour le même but, que dans le cas des capteurs des figures 1 et 2 Le laser 34 doit aussi avoir une cavité étendue de façon que sa longueur optique soit similaire à celle des cavités 36 et 37, et est donc, comme le laser 20 de la figure 2, fait de trois parties comportant une pastille en semiconducteur 34 a, une longueur de guide d'ondes 34 b et une surface très réfléchissante 34 c, la réflexion à l'inter- face pastille-guide d'onde étant supprimée. Il est bien évident que les descriptions qui précèdent ont été données qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Capteur comportant une première boucle de contre-réaction régulatrice pour maintenir une relation de phase prédéterminée entre la longueur du trajet optique d'une cavité capteur guide d'ondesde Fabry-Perot et la longueur du trajet optique d'une autre cavité guide d'ondesde Fabry-Perot qui possède une longueur de trajet op- tique similaire et qui est optiquement en série avec la cavité capteur, en commandant la longueur de trajet optique de l'une de ces deux cavités, tandis que la longueur de trajet optique de la cavitë capteur est modulée par le paramètre capté, caractérisé en ce qu'une deuxième boucle de contre-réaction régulatrice est prévue pour main- tenir une relation de phase prédéterminée entre une cavité guide d'ondesde référence de Fabry-Perot ( 5), laquelle est en étroit couplage thermique avec la cavité capteur ( 4) et présente une construction et une longueur de trajet optique similaires mais n'est pas modulée par le paramètre capté, et celle de la cavité ( 20 b) optiquement en série avec la cavité capteur ou celle d'une autre cavité guide d'ondesde Fabry- Perot ( 14) qui est en étroit couplage thermique avec la cavité en série avec la cavité capteur et est de construction et longueur de trajet optique similaires, par commande de la longueur de trajet optique de la cavité de référence ou de ladite autre cavité. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre capté est l' amplitude du champ magnétique, et en ce que la longueur de trajet optique de la cavité capteur est modulée par un élément magnétostrictif. 3 Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément magnétostrictif est réalisé avec une couche de verre métallique appliquée au milieu de transmission guide d'ondesde la cavité capteur. 4 Capteur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la première boucle de contre-réaction régulatrice commande la-longueur de trajet optique de la cavité optiquement en série avec la cavité capteur. Capteur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la première boucle de contre-réaction régulatrice commande la longueur de trajet optique de la cavité capteur. 6 Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la cavité de référence ( 25) est optiquement en série avec la cavité ( 2 optiquement en série avec la cavité capteur ( 24). 7 Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cavité optiquement en série à la fois avec la cavité capteur et la cavité de référence est la cavité d'un laser monomode.