Brevet FR2580072A1 — publié le 19861010

La présente invention concerne un interféromètre à fibres optiques destiné à mesurer un changement d'une grandeur, par exemple un changement de longueur ou de tempé- rature, et qui comprend deux fibres conductrices de lumière qui sont connectées à une source de lumière cohérente commu- ne, dans lequel une fibre au moins est équipée d'un conver- tisseur de mesure, qui change la longueur du chemin optique et change donc l'angle de phase d'une onde lumineuse traver- sant cette fibre, sous l'effet d'un changement de la grandeur mesurée, et dans lequel on compare les angles de phase des ondes lumineuses dans les fibres, on compense ce changement d'angle de phase et on utilise la valeur de compensation en tant que valeur de mesure. On trouve la description d'interféromètres du genre mentionné ci-dessus, c'est-à-dire des interféromètres de Mach - Zehnder à fibres optiques, dans le document Technis- ches Messen 51. Jahrgang 1984 Heft 6, R. Kist: "Messwerter- fassung mit faseroptischen Sensoren". Dans ces instruments, une source lumineuse commune émet de la lumière dans deux fi- bres optiques, et on compare les angles de phase des ondes lumineuses dans les deux fibres après que la lumière a tra- versé les fibres. Si une fibre optique est soumise à un chan- gement de longueur, par exemple, la différence de phase entre les ondes lumineuses change, et ce changement est une mesure du changement de longueur. Dans un appareil connu, les extré- mités des deux fibres sont réunies ensemble par fusion et sont connectées à un détecteur d'intensité lumineuse, afin de comparer les angles de phase des ondes lumineuses dans les fibres. L'intensité qui est détectée ici dépend du décalage de phase. L'appareil est simple mais il donne une précision de mesure médiocre dans l'interféromètre, du fait que l'in- tensité détectée dépend également de changements de l'inten- sité de la source lumineuse et des intensités lumineuses dans les deux fibres. Dans un autre appareil connu, la lumière provenant des deux fibres éclaire sous une incidence oblique chaque côté d'un miroir semi-transparent. On détecte indivi- duellement et on compare les intensités des deux ondes lumi- neuses qui partent du miroir. Un interféromètre équipé de ce type d'appareil pour permettre la comparaison des angles de phase donne une précision de mesure relativement bonne, qui est cependant limitée par le fait qu'il n'est pas capable d'utiliser de la lumière polarisée. L'appareil est également fragile et volumineux, ce qui limite le domaine d'utilisation de l'interféromètre. Les difficultés indiquées ci-dessus sont résolues conformément à l'invention par le fait que la lumière prove- nant des fibres optiques est appliquée avant la détection à un dispositif de couplage optoélectronique simple qui permet d'obtenir une précision de mesure élevée. Un aspect de l'invention porte sur un interféromètre à fibres optiques destiné à mesurer un changement d'une gran- deur, par exemple un changement de longueur ou de température, et comprenant deux fibres conductrices de lumière qui sont connectées à une source de lumière cohérente commune, dans lequel une fibre au moins comporte un convertisseur de mesure qui change la longueur du chemin optique, et change donc l'an- gle de phase, pour une onde lumineuse traversant cette fibre, sous l'effet d'un changement de la grandeur précitée, et dans lequel on compare les angles de phase des ondes lumineuses dans les fibres et on compense le changement de l'angle de phase, en utilisant la valeur de compensation en tant que va- leur de mesure, caractérisé en ce que, au moment de la compa- raison, on rend le résultat de la comparaison pratiquement indépendant de l'intensité lumineuse dans les fibres conduc- trices de lumière, ces fibres étant connectées à un dispositif de couplage optoélectronique du type coupleur directionnel, qui comporte deux entrées connectées à deux sorties par des guides de lumière, par l'intermédiaire d'une zone d'interac- tion, et qui est conçu de façon que la puissance lumineuse soit distribuée également entre les sorties lorsqu'une onde lumineuse provenant de la source lumineuse est appliquée uni- quement à l'une des entrées, ou lorsque deux ondes lumineuses ayant une différence de phase donnée, qui peut également être égale à zéro, sont appliquées aux entrées respectives, et en ce que lorsque deux ondes lumineuses ayant une différence de phase qui diffère de la différence de phase.donnée sont appli- quées aux entrées respectives, les intensités sortantes sont affectées par un facteur qui dépend de la différence de phase fondamentalement selon les relations: A2 + 2 U1 = 2 + A B sin( - 0) A2+ B - A B sin( 0) 2 2 dans lesquelles A et B sont les amplitudes des ondes lumineu- ses aux entrées, est leur différence de phase mutuelle, C0 est la différence de phase donnée et U! et U2 sont les intensités des ondes lumineuses sur les sorties, ce qui fait que la différence entre ces intensités est fondamentalement indépendante d'une variation des intensités lumineuses dans les fibres lorsque la différence de phase est compensée en étant ramenée à la valeur donnée. On va maintenant décrire un mode de réalisation préféré de l'invention, en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement un interfé- romètre de Mach - Zehnder, la figure 2 est une vue en perspective de dessus d'un coupleur directionnel optoélectronique, la figure 3 représente une partie de l'interféro- mètre avec un coupleur directionnel et des détecteurs de lu- mière, la figure 4 est une vue en perspective de dessus d'un dispositif de couplage avec une bifurcation optoélectro- nique, et la figure 5 représente un autre interféromètre con- forme à l'invention. La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation d'un interféromètre de Mach - Zehnder à fibres optiques. Il comporte de manière classique deux fibres opti- ques, à savoir une fibre de référence 1 et une fibre de mesu- re 2, qui sont connectées à un laser 5 par l'intermédiaire d'un élément de répartition 3. L'élément de répartition 3 est une lame de matière optoélectronique avec des éléments de guidage d'ondes 4 diffuses dans sa surface, et ces éléments de guidage répartissent la lumière du laser dans les deux fi- bres 1 et 2. Un convertisseur de mesure 6 est connecté à la fibre de mesure 2 de façon à être soumis à l'action d'une grandeur P. par exemple un changement de longueur ou de tem- pérature, qu'on désire mesurer. Le laser émet des ondes lumi- neuses contenues dans une gamme de longueurs d'onde étroite qui traversent l'élément 3 et les fibres 1 et 2. Aux extrémi- tés éloignées des fibres, les ondes lumineuses présentent un déphasage mutuel sous l'effet de la différence de longueur de chemin optique entre le point de répartition dans l'élément de répartition 3 et les extrémités éloignées des fibres. La longueur du chemin optique dépend de la distance que parcourt l'onde lumineuse et de l'indice de réfraction du milieu qu'elle traverse. La longueur du chemin optique peut être changée dans le convertisseur de mesure 6, par exemple par le fait que la fibre 2 est étirée, ce qui augmente la distance, ou par le fait que la fibre est soumise à une force de com- pression transversale ou à une courbure, ce qui change son indice de réfraction. Lorsque le convertisseur de mesure 6 est soumis à l'action de la grandeur P, la longueur du chemin optique change sous l'effet de cette action, ce qui produit un déphasage d'un angle f entre les ondes lumineuses. On compare les angles de phase des ondes lumineuses dans la fi- bre de mesure 2 et dans la fibre de référence i à l'aide de deux détecteurs optoélectroniques 8 sensibles à l'intensité lumineuse, et d'un circuit de différence 9, dont les entrées sont connectées aux sorties du détecteur 8. Conformément à l'invention, pour obtenir d'une manière simple un signal de comparaison I précis à partir du circuit de différence 9, on fait passer la lumière, avant détection, par un dispositif de couplage optoélectronique 7, qu'on décrira ci-après. Le signal de comparaison I est renvoyé en réaction de façon classique pour compenser le déphasage t entre les ondes lu- mineuses dans les deux fibres optiques 1 et 2. La sortie du circuit de différence 9 est connectée à un circuit de com- mande 10 dont le signal de commande de sortie U est appliqué à une électrode-11 de l'élément de répartition 3. A l'aide du signal de commande U, on change la vitesse de la lumière, et donc l'indice de réfraction de l'élément de guidage d'on- de 4 au niveau de l'électrode 11. On change ainsi la lon- gueur du chemin optique, et donc l'angle de phase pour une onde lumineuse se propageant dans la fibre de référence 1. On peut compenser de cette manière la différence de phase apparaissant dans le convertisseur de mesure 6, au moyen du signal de commande U, et cette compensation est une mesure de la grandeur P. Comme mentionné ci-dessus et conformément à l'in- vention, on fait passer dans le dispositif de couplage opto- électronique 7 la lumière provenant de la fibre de référence 1 et de la fibre de mesure 2, avant de détecter l'intensité lumineuse. Dans ce mode de réalisation, le dispositif de couplage est un coupleur directionnel optoélectronique, et il est représenté sur la figure 2. On peut trouver une des- cription plus détaillée du fonctionnement'du coupleur direc- tionnel dans les documents: IEEE Journal of Quantum Elec- tronics, Vol QE-12, n 7, juillet 1976, H. Kogelink et R. Schmidt: "Switched Directional Couplers with Alternating à f ", ou IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol Cas-26, n 12, décembre 1979, R. Schmidt et R.Alferness: "Directional Coupler Switchers, Modulators, and Filters Using Alternating A î Techniques". Le coupleur directionnel comprend une lame 12 de matière optoélectronique, par exemple du niobate de lithium, avec des guides d'ondes lumineuses 14 sur sa surface supérieure 13. Ces conducteurs ont un indice de réfraction supérieur à celui de la matière de la lame, et on peut les obtenir par un processus tel que la diffusion de titane dans la couche de surface de la lame. Au niveau des surfaces d'extrémité planes 15 de la lame 12, les guides d'ondes lumineuses 14 ont des entrées 14a et des sorties 14b, et ces guides sont disposés l'un près de l'autre dans une zone d'interaction L. Un rayon lumineux introduit dans l'un des guides 14 est transféré complètement ou partiellement vers l'autre guide dans la zone d'interaction L, comme il est décrit dans les documents précités. La distribution de l'énergie lumineuse sur les sorties 14b dépend de la longueur d'onde de la lumière, de l'étendue de la zone d'interaction et du couplage entre les guides d'ondes. On peut agir sur cette distribution au moyen d'un potentiel électrique appli- qué entre des électrodes 16 à la surface de la lame, le long des guides d'ondes 14, dans la zone d'interaction L. Pour obtenir à partir du circuit de différence 9 le signal de com- paraison désiré I, on sélectionne les paramètres du coupleur directionnel de façon que l'énergie lumineuse pour une onde lumineuse appliquée à l'une des entrées 14a des guides d'on- des lumineuses soit répartie de façon égale entre les sorties 14b, comme on le décrira de façon plus détaillée en relation avec la figure 3. Sur cette figure, le coupleur directionnel 7 est représenté avec la fibre de référence 1 et la fibre de mesure 2 connectées à des entrées 14a respectives. Chaque sortie 14b est connectée par une fibre optique 19 à chacun des détecteurs optoélectroniques 8. L'onde lumineuse prove- nant du laser qui se propage dans la fibre de référence 1 a une amplitude A et l'onde lumineuse qui se propage dans la fibre de mesure 2 a une amplitude B, ce qui fait que les in- tensités des deux ondes lumineuses sont proportionnelles à A et B. Avant la mesure de la grandeur P, les ondes lumi- neuses dans les fibres de mesure et de référence peuvent être mutuellement déphasées d'un angle qui est un multiple d'un demi-tour. Lorsque la grandeur P agit sur le convertis- seur de mesure 6, la longueur du chemin optique change, ce qui fait que la différence de phase entre les ondes lumineu- ses aux entrées 14a change d'un angle T. Une interaction entre les ondes lumineuses se produit dans la zone d'inter- action L, et les détecteurs 8 détectent les intensités U1 et U2 des ondes lumineuses sortantes. Ces détecteurs émettent des signaux électriques I1 et 12 qui sont repsectivement proportionnels à U et U2, fondamentalement selon les rela- tions: Il = (A2 + B2) +A B sinf 12 = (A2 + B2) - A B sin c Le circuit de différence 9 forme la différence entre les si- gnaux I1 et I2, et il émet le signal de sortie I conformément à la relation: I = I1 - I2 = 2 A B sinc Comme il a été mentionné en relation avec la figure 1, le signal I est renvoyé en réaction par l'intermédiaire du circuit de commande 10, qui applique le signal de commande U à l'électrode 11. Le déphasage entre les ondes lumineuses dans les fibres 1 et 2 est ainsi compensé, ce qui fait que l'angle ( diminue. Pour une compensation complète, = 0 et d'après la relation ci-dessus, I = 0. Le signal de comman- de U a alors atteint sa valeur finale et il constitue une me- sure de la grandeur P qu'on désire mesurer. Il faut noter que la compensation de phase fonctionne également si le déphasage dans le convertisseur de mesure 6 est supérieur à 90 . Lors- que la grandeur P est appliquée et lorsque le déphasage dans le convertisseur de mesure augmente, il y a une compensation continue de l'angle de déphasage T entre la fibre de mesure 2 et la fibre de référence 1, du fait que le signal de com- mande U augmente dans une proportion correspondante. On a indiqué cidessus que les paramètres pour le coupleur directionnel 7 doivent être choisis de façon que si une seule des entrées 14a reçoit de la lumière, l'énergie lumineuse soit répartie de façon égale entre les sorties 14b. Ceci ressort de la relation pour les signaux I1 et 12 Pour l'amplitude B = 0, on obtient la moitié de l'énergie lumi- neuse pour chacune des sorties 14b. La relation indiquée ci-dessus pour le signal I permet de voir que ce signal est pratiquement indépendant des amplitudes lumineuses A et B pour une compensation com- plète du déphasage, lorsque T = 0. Le signal de commande U qui est la valeur de mesure de la grandeur P est donc indé- pendant d'une variation de l'intensité lumineuse provenant du laser 5, et indépendant de la répartition de l'énergie lumineuse entre la fibre de mesure 2 et la fibre de référence 1. Ceci permet à l'interféromètre d'avoir simultanément une structure relativement simple et une précision élevée. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, le dispositif de couplage 7 de l'interféromètre est un coupleur directionnel optoélectronique. Le dispositif de couplage 7 peut également être une bifurcation optoélectronique, comme le montre la figure 4. De façon similaire au coupleur direc- tionnel, la bifurcation optoélectronique comporte des guides d'ondes 18 diffusés dans la surface d'une lame 17 constituée par une matière optoélectronique. La bifurcation comporte deux entrées 18a et deux sorties 18b, mais contrairement au coupleur directionnel, elle ne comporte qu'un seul guide d'ondes dans sa zone d'interaction L1. Les ondes lumineuses entrantes provenant des fibres de mesure et de référence sont superposées dans la zone d'interaction, et les intensi- tés des ondes lumineuses sortantes suivent étroitement les relations applicables au coupleur directionnel qui ont été données ci-dessus. On trouvera une description plus détaillée de la bifurcation optoélectronique dans le document "Applied Physics Letter, Vol.31, N 4, 15 aoUt 1977, M.Papuchon, M.Roy et O.B.Ostorwsky: "Electrically active optical bifurcation: BOA". Dans l'interféromètre qui est décrit, le signal de comparaison I prend une valeur égale à zéro dans le coupleur directionnel 7 lorsque le déphasage q entre les ondes lumi- neuses est compensé de façon à avoir une valeur nulle, con- formément à la relation I = 2 A B sin q. On peut également réaliser un coupleur directionnel d'une manière telle que le signal de différence sortant I prenne une valeur nulle lors- que les ondes lumineuses entrantes sont déphasées mutuelle- ment d'un angle donné c. Lorsque deux ondes lumineuses ayant les amplitudes A et B et le déphasage C sont appliquées aux entrées de ce coupleur directionnel, l'énergie lumineuse est répartie également entre les sorties. L'angle (0 est caractéristique du coupleur directionnel, et le signal de comparaison I qui est obtenu pour un déphasage ( est fonda- mentalement défini par la relation: I = I - 12 = 2 A B sin ( - 0). Les longueurs des chemins optiques dans les fibres de mesure et de référence sont choisies de façon que les on- des lumineuses soient déphasées de l'angle f = C 0, aussi proche que possible d'un multiple d'un demi-tour, lorsque le convertisseur de mesure 6 n'est pas affecté par la grandeur P. Les variations de déphasage qu'on obtient dans le conver- tisseur de mesure 6 pendant la mesure sont compensées par rapport à l'angle C0 par le signal de commande U, comme dé- crit ci-dessus. La figure 5 représente un mode de réalisation sup- plémentaire d'un interféromètre conforme à l'invention. Une lame 20 d'une matière optoélectronique comporte sur sa sur- face plane supérieure un coupleur directionnel optoélectro- nique 21, comme décrit en relation avec la figure 2. La lame comporte un coupleur directionnel supplémentaire 22 et un guide d'ondes 23, avec une électrode 24. Le guide d'ondes 23 est connecté à une entrée du coupleur directionnel 21. La fibre de mesure 2 comportant le convertisseur de mesure 6, est en liaison optique avec une sortie du coupleur direction- nel supplémentaire 22 et avec le guide d'ondes 23. La lu- mière provenant du laser 5 est répartie dans le coupleur di- rectionnel 22 vers la fibre de mesure 2 et la fibre de réfé- rence 1. Apres passage à travers les fibres 1 et 2, les ondes lumineuses sont mutuellement déphasées d'un angle C par l'action de la grandeur P sur le convertisseur de mesure 6. Ce déphasage est compensé par le signal de commande U agis- sant sur l'électrode 24, comme décrit en relation avec la fi- gure 1. Les ondes lumineuses provenant des fibres de mesure et de référence passent par le coupleur directionnel 21 avant la détection dans les détecteurs 8, et elles sont comparées dans le circuit de différence 9, comme décrit en relation avec la figure 2. Le signal de différence I actionne le cir- cuit de commande 10, qui émet le signal de commande U vers l'électrode 24. Dans cet interféromètre, tous les composants optoélectroniques se trouvent sur la lame commune 20, ce qui procure l'avantage consistant en ce qu'on peut réaliser l'interféromètre sous une forme simple et robuste. La sensibilité d'un interféromètre du genre décrit ci-dessus dépend de la précision avec laquelle on peut dé- tecter les variations de l'angle T. Cette précision est la plus grande pour des ondes lumineuses correspondant à de la lumière en polarisation plane ayant un angle de phase bien défini. L'interféromètre de l'invention offre l'avantage de pouvoir utiliser cette condition,du fait que le plan de pola- 800-72 ll risation d'une onde lumineuse ne change pas dans le dispositif de couplage optoélectronique 7. Si on utilise des fibres opti- ques qui conservent la polarisation et un élément de distribu- tion qui conserve la polarisation, la direction de polarisa- tion de la lumière provenant du laser 5 est conservée dans l'ensemble de l'interféromètre, jusqu'aux détecteurs 8. On peut donc ainsi obtenir une sensibilité très élevée, qui est de 10- 12 m, exprimée en variation de longueur de la fibre de mesure. REVENDICATIONS lt Interféromètre à fibres optiques destiné à mesu- rer un changement d'une grandeur, par exemple un changement de longueur ou de température, et comprenant deux fibres con- ductrices de lumière qui sont connectées à une source de lu- mière cohérente commune, dans lequel une fibre au moins com- porte un convertisseur de mesure qui change la longueur du chemin optique, et donc l'angle de phase, pour une onde lumi- neuse traversant cette fibre, sous l'effet d'un changement de la grandeur précitée, et dans lequel on compare les angles de phase des ondes lumineuses dans les fibres et on compense le changement de l'angle de phase, en utilisant la valeur de compensation en tant que valeur de mesure, caractérisé en ce que, au moment de la comparaison, on rend le résultat de la comparaison (I) pratiquement indépendant de l'intensité lu- mineuse dans les fibres conductrices de lumière (1, 2), ces fibres étant connectées à un dispositif de couplage optoélec- tronique (7) du type coupleur directionnel, qui comporte deux entrées (14a, 18a) connectées à deux sorties (14b, 18b) par des guides de lumière (14, 18), par l'intermédiaire d'une zone d'interaction (L, L1), et qui est conçu de façon que la puissance lumineuse soit distribuée également entre les sor- ties (14b, 18b) lorsqu'une onde lumineuse provenant de la source lumineuse (5) est appliquée uniquement à l'une des entrées (14a, 18a), ou lorsque deux ondes lumineuses ayant une différence de phase donnée ( f0), qui peut également être égale à zéro, sont appliquées aux entrées respectives (14a, 18a), et en ce que lorsque deux ondes lumineuses ayant une différence de phase ( facteur qui dépend de la différence de phase () fondamen- talement selon les relations: A2 + B2 U1 = 2 + A B sin( V- f0) A2 B2 = A2B - A B sin( - '0) dans lesquelles A et B sont les amplitudes des ondes lumineuses aux entrées (14a, 18a), (P est leur différence de phase mutuel- le, cf est la différence de phase donnée et U1 et U2 sont les intensités des ondes lumineuses sur les sorties (14b, 18b), ce qui fait que la différence entre ces intensités est fondamen- talement indépendante d'une variation des intensités lumineuses dans les fibres (, 2) lorsque la différence de phase () est compensée en étant ramenée à la valeur donnée ( Cf0). 2. Interféromètre à fibres optiques selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les entrées (14a) et les sorties (14b) du dispositif de couplage (7) sont connectées par l'intermédiaire de deux guides d'ondes lumineuses mutuel- lement espacés dans la zone d'interaction (L). 3. Interféromètre à fibres optiques selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les entrées (18a) et les sorties (18b) du dispositif de couplage (17) sont connectées par l'intermédiaire d'un guide d'ondes lumineuses commun dans la zone d'interaction (L1).