Brevet FR2560717A1 — publié le 19850906

La présente invention concerne les résonateurs à guide d'onde et plus précisément un résonateur multicanal à guide d'onde optique. On connaît déjà par exemple l'utilisation de résonateurs optiques passifs en anneau comme capteurs de rotation destinés à déterminer de manière très précise les vitesses de rotation dans des ensembles de navigation par inertie. La sensibilité de ces dispositifs dans lesquels la lumière circule dans un anneau est directement reliée à la longueur efficace de la cavité ou au périmètre de l'anneau. Ainsi, les anneaux de plus grands périmètres ont théoriquement une plus grande sensibilité. Dans le cas d'un résonateur à un seul anneau cependant, l'augmenta- tion de la longueur efficace de la cavité par augmentation du périmètre conduit à la réalisation d'un capteur qui est [)physiquement plus grand, ceci constituant un inconve- nient très net lorsque le capteur de rotation doit être utilisé dans un dispositif aéroporté. L'invention concerne donc un résonateur à guide d'onde passif en anneau dans lequel la longueur efficace de la cavité est multipliée par un facteur élevé par rapport au périmètre réel du résonateur à guide d'onde. Elle concerne aussi un tel résonateur dans lequel la sensibilité est augmentée de plusieurs facteurs, de dix par rapport à un résonateur monocanal à guide d'onde optique. Elle concerne aussi un tel résonateur à guide d'onde optique dont la fabrication est relativement simple et qui peut avoir une très longue durée d'utilisation. Plus précisément, l'invention concerne un résona- teur multicanal à guide d'onde optique qui comporte un guide d'onde d'entrée, un guide d'onde de sortie et plu- sieurs anneaux de guidage d'onde disposés suivant un dessin répétitif. Les anneaux de guidage d'onde peuvent avoir toute forme fermée, par exemple de cercles, d'ellipse, de carres ou de courbes fermées de forme irrégulière. Les guides d'onde d'entrée et de sortie sont disposés afin qu'ils assurent un couplage de la lumière avec l'un au moins des guides d'onde du dessin répétitif à l'aide d'ondes évanescentes. Les périmètres et l'emplacement des anneaux de guidage d'onde, dans le dessin répétitif des anneaux, sont choisis afin que le couplage des anneaux soit assuré par des ondes évanescentes et aussi de manière que la lumière du guide d'onde d'entrée renforce la lumière présente dans au moins l'un des guides d'onde du dessin répétitif. Dans un mode de réalisation préféré, le dessin répétitif comporte plusieurs guides d'onde diélectriques concentriques dont les périmètres et l'espacement sont choisis afin qu'un couplage par ondes évanescentes soit assuré entre eux. Dans ce mode de réalisation, le guide d'onde diélectrique d'entrée et le guide d'onde diélec- trique de sortie sont rectilignes et sont placés près du guide d'onde concentrique externe afin que la lumière soit couplée dans le guide d'onde concentrique externe et hors de celui-ci par des ondes évanescentes. Les guides d'onde concentriques sont couplés faiblement, c'est-à-dire que pratiquement seuls les guides d'onde concentriques adjacents sont couplés par des ondes évanescentes. Il est préférable que les anneaux diélectriques de guidage d'onde soient fabriqués en un matériau présentant de faibles pertes, par exemple en verre. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les guides d'onde du dessin répétitif sont empilés en étant espacés au lieu d'être concentriques. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est un schéma du résonateur selon l'invention, ayant des guides d'onde concentriques; la figure 2 est une coupe du résonateur de la figure 1, suivant la ligne 2-2; et la figure 3 est une perspective schématique d'un mode de réalisation dans lequel les guides d'onde sont empilés. 256 0 7 1 7 On considère maintenant, en référence aux figures 1 à 3, le principe de fonctionnement du résonateur multi- canal à guide d'onde optique selon l'invention. Le fonction- nement d'un tel résonateur multicanal 10 repose sur l'exci- tation synchrone des modes normaux de la structure 12 à guides d'onde concentriques du résonateur 10. La structure contient N guides d'onde 14 qui sont sous forme d'anneaux concentriques. Un guide d'onde diélectrique rectiligne d'entrée 16 et un guide d'onde diélectrique rectiligne de sortie 18 sont aussi incorporés. Comme l'indique la coupe de la figure 2, les guides d'onde diélectriques 14, 16 et 18 sont de préférence formés d'un matériau à faibles pertes tel que l'oxyde de zinc, disposé sur un substrat de verre 20. Les guides d'onde peuvent aussi être formés de polyméthacrylate de méthyle dopé, par exemple de "Plexiglas" dopé. Ainsi, tous les guides d'onde 14, 16 et 18 sont des conduits optiques convenant à la propagation du rayonnement lumineux. La distance séparant les guides d'onde rectilignes d'entrée et de sortie 16 et 18 du guide d'onde concentrique externe 14 est choisie de manière que le couplage soit faible. De même, les guides d'onde concentriques 14 sont aussi faiblement couplés. Cette caractéristique est obtenue à l'aide d'un espacement qui assure le recouvrement des champs d'ondes évanescentes d'une manière réduite seulement, provoquant uniquement des interactions en cas de grande proximité. Ainsi, la lumière qui se propage dans le guide d'onde diélectrique rectiligne d'entrée 16 n'est couplée qu'à celui des guides d'onde concentriques 14 qui est le plus à l'extérieur. De même, la lumière se propageant dans les guides d'onde concentriques 14 n'est couplée qu'aux guides d'onde adjacents. Les distances séparant les guides d'onde d'entrée et de sortie 16 et 18 et le guide d'onde concentrique externe 14, et la distance séparant les guides d'onde concentriques 14 eux-mêmes sont de l'ordre de 4 microns. La largeur des guides d'onde 14 est d'environ 4 microns, et ils ont une épaisseur de 6 microns. Les guides d'onde 14 ont une différence d'indice de l'ordre de 0,01 à -1 0,02 et-présentent de faibles pertes, inférieures à 0,001 cm. De la lumière, par exemple provenant d'une source laser (non représentée), se propageant dans le guide d'onde diélectrique d'entrée 16, est couplée au guide d'onde externe 14 par des ondes évanescentes. Lorsque la lumière circule dans le guide d'onde 14 externe, elle est couplée au guide d'onde suivant 14 et ainsi de suite, dans toute la série des guides d'onde concentriques. Ainsi, la lumière injectée dans la série de guides d'onde 14 se répartie elle-même dans toute la série d'anneaux concentriques et revient finalement vers le guide d'onde externe 14. La lumière est aussi couplée de ce guide d'onde externe 14 au guide d'onde diélectrique de sortie 18, avant traitement ultérieur. Dans le cas d'une structure contenant N guides d'onde, par exemple les anneaux concentriques 14 de la figure 1, il existe N modes normaux pour la lumière circu- lant dans les guides d'onde concentriques 14. La réparti- tion initiale des modes normaux s'établit lorsque la lumière se propage dans les guides d'onde 14. Deux conditions doivent être satisfaites pour que la lumière pénétrant dans les guides d'onde 14 se renforce et que ceux-ci cons- tituent un résonateur. D'abord, la lumière du système de guide d'onde concentrique doit se trouver, dans le guide d'onde externe 14, dans la région des guides d'onde d'en- trée et de sortie 16 et 18. En outre, la lumière du guide d'onde externe 14 doit être en phase avec celle du guide d'onde d'entrée 16. Cette dernière condition indique simplement que le périmètre du guide d'onde externe 14 doit être égal à un nombre entier de longueurs d'onde. La première condition est que le périmètre du guide d'onde externe 14 soit égal à un nombre entier de longueurs de couplage dans le système multicanal 10. La longueur de couplage est fonction des paramètres du guide d'onde et de l'espacement des guides d'onde concentriques 14. En d'autres termes, pour des constantes de propagation SO et des constantes de couplage Ki convenables, l'établissement des excitations est tel que les N excitations interfèrent d'une manière constructive en formant des modes normaux du résonateur 10. Dans ces conditions, les conditions de résonance nécessaires à l'entretien des modes normaux sont 1o(Np) = n1 n Ki(Np) = n2 n1 et n2 étant des nombres entiers reliés et p est le périmètre. L'effet de la résonance des modes normaux est de remplacer le périmètre p de l'anneau externe 14 par un périmètre équivalent npY avec réduction ainsi de la gamme spectrale libre d'un facteur N et augmentation de la sensibilité lorsque le résonateur 10 est utilisé par exemple comme capteur de rotation. Ceci est le cas puisque la longueur efficace de la cavité du résonateur des guides d'onde concentriques 14 à couplage par ondes évanescentes est augmentée d'un facteur approchant de N, nombre total des guides d'onde concentriques. On considère maintenant un exemple dans le cas N = 2, c'est-à-dire d'un résonateur comprenant deux guides d'onde concentriques, afin de mieux faire comprendre les caractéristiques du résonateur multicanal 10 selon l'invention. Les modes normaux consistent dans ce cas en amplitudes égales du champ dans chacun des deux guides d'onde concentriques, en phase ou en quadrature mutuellement (paire et impaire). Les constantes de propagation sont, dans ce cas - = So + K. Lorsque la lumière est couplée aux guides d'onde concentriques externes 14, l'énergie oscille entre les deux canaux. Lorsque le périmètre du guide d'onde externe est tel que toute la lumière se trouve dans l'anneau interne après un circuit, un mode normal peut exister lorsque la phase convenable est conser- vye entre les anneaux interne et externe. Ces conditions peuvent itre exprimées sous la forme: Op (2n1-1)Â K2p = (2n2+1)T ou (B K)p = (n1+n2+1) r ( - K)p = (n1 -n2) Dans ce cas, les nombres entiers n1 et n2 présentent la relation suivante: B = K (2nl+1)/(2n2+1). Il faut noter que le résonateur multicanal à guide d'onde optique selon l'invention ne doit pas être obligatoirement formé d'anneaux concentriques de guidage d'onde tels que représentés sur la figure 1, mais peut être réalisé avec d'autres dessins répétitifs. Il suffit que les anneaux de guidage d'onde aient une forme fermée et soient disposés de manière que les anneaux adjacents soient couplés par des ondes évanescentes. La figure 3 représente une telle variante dans laquelle trois guides d'onde circulaires 30 sont représentés empilés les uns au- dessus des autres. On n'a représenté que trois guides d'onde par raison de clarté. Un guide d'onde diélectrique d'entrée 32 et un guide d'onde diélectrique de sortie 34 sont placés près du guide d'onde circulaire supérieur 30, à une distance convenant à un couplage faible par ondes évanescentes. La lumière se propageant dans le guide d'onde d'entrée 32 est couplée au guide d'onde supérieur 30 par des ondes évanescentes. La lumière se propageant dans le guide d'onde supérieur 30 se répartit ellemême dans les deux autres guides d'onde circulaires et revient finalement au guide d'onde supérieur. Ce cas est tout à fait analogue à celui des guides d'onde concentriques décrits en référence à la figure 1. Ainsi, avec cette configuration, le -périmètre efficace du guide d'onde est multiplié par trois et la largeur correspondante de la raie n'est pas modifiée, toujours dans l'hypothèse de faibles pertes. Comme dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 1, les distances séparant le guide d'onde d'entrée 32 et le guide d'onde de sortie 34 de l'anneau circulaire supérieur 30, et les distances séparant les guides d'onde circulaires 30 eux-mêmes sont choisies afin que le couplage faible soit assuré par des ondes évanescentes. On note ainsi que l'invention concerne un résona- teur multicanal à guide d'onde qui permet une augmentation de la longueur efficace de la cavité d'un résonateur optique. Lorsque ce dernier est utilisé comme capteur de rotation, le résonateur a ainsi une sensibilité supérieure d'un facteur élevé à celle d'un résonateur à une seule spire. Les résultats sont obtenus par association de plusieurs guides d'onde très proches les uns des autres afin qu'ils soient couplés faiblement par des ondes évanes- centes. Dans un exemple, le périmètre du guide d'onde concentrique externe est d'environ 30 cm. REVENDICATIONS 1. Résonateur multicanal à guide d'onde optique, caractérisé en ce qu'il comprend: un guide d'onde diélectrique d'entrée (16), un guide d'onde diélectrique de sortie (18), et plusieurs anneaux diélectriques couplés de guidage d'onde (14), les guides d'onde d'entrée et de sortie (16, 18) étant couplés à l'un des anneaux couplés de guidage d'onde (14) afin que de la lumière soit transmise à cet anneau et extraite de celui-ci par couplage par des ondes évanes- centes, les périmètres des anneaux de guidage d'onde (14) et leur espacement étant choisis afin qu'ils soient couplés par ondes évanescentes, si bien que la lumière du guide d'onde d'entrée renforce la lumière qui se trouve dans l'un des anneaux de guidage d'onde. 2. Résonateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les guides d'onde diélectriques d'entrée et de sortie (16, 18) sont rectilignes. 3. Résonateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les anneaux de guidage d'onde (14) sont couplés faiblement. 4. Résonateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend N anneaux de guidage d'onde (14), l'anneau externe ayant un périmètre p et une cons- tante de propagation So et une constante de couplage K tels que: eo(Np) = n1 i et K(Np) = n2 n1 et n2 étant des nombres entiers. 5. Résonateur selon la revendication 4, caracté- risé en ce que N = 2 et 2n1+1 So K(2n2+1) 6. Résonateur multicanal à guide d'onde optique, caractérisé en ce qu'il comprend - un guide d'onde d'entrée (16), un guide d'onde de sortie (18), et plusieurs guides d'onde (14) disposés avec un dessin répétitif, les guides d'onde d'entrée et de sortie (16, 18) étant disposés afin qu'ils assurent la transmission de lumière à l'un au moins des guides d'onde du dessin répé- titif et l'extraction de lumière de ce guide d'onde par couplage par ondes evanescentes, les paramètres et l'empla- cement des guides d'onde (14) du dessin répétitif étant choisis afin qu'ils présentent un couplage par ondes évanescentes, si bien que la lumière du guide d'onde d'entrée renforce celle qui se trouve dans l'un au moins des guides d'onde. 7. Résonateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les anneaux diélectriques de guidage d'onde (14) sont formés de polyméthacrylate de méthyle dopé sup- porté par un substrat de quartz. 8. Résonateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le périmètre du guide d'onde externe (14) est d'environ 30 cm. 9. Résonateur selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le dessin répétitif est une pile d'anneaux de guidage d'onde (30) couplés par des ondes évanescentes et ayant le même diamètre. 10. Résonateur selon la revendication 3, caracté- risé en ce que seuls les anneaux de guidage d'onde adja- cents (14) sont couplés par des ondes évanescentes. - 11. Résonateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les anneaux diélectriques de guidage d'onde couplés (14) sont concentriques. 12. Résonateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les anneaux couplés de guidage d'onde (14) sont circulaires. 13. Résonateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les anneaux de guidage d'onde (14) sont formes d'un matériau électro-optique à faibles pertes. 14. Résonateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les anneaux de guidage d'onde (14) sont formés d'oxyde de zinc.