Brevet FR2588075A1 — publié le 19870403

La présente invention concerne les gyroscopes à laser et plus précisément un gyroscope à laser à guide d'onde travaillant en résonance avec une source commutée. La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N 589 711 déposée le 15 mars 1984 sous le titre "Thin Film Passive Ring Resonator Laser Gyro" décrit un gyroscope à laser à résonateur annulaire passif comprenant des modulateurs électro-optiques destinés à assurer un décalage de fréquence du faisceau laser par variation linéaire de la phase au cours du temps. L'utilisation d'éléments actifs dans la structure du guide d'onde, tels que des modulateurs électro- optiques, introduit du bruit qui dégrade le signal. En outre, l'incorporation d'éléments actifs augmente la complexité et le coût de la fabrication. La présente invention a donc pour objet un gyros- cope à laser à résonateur annulaire passif ne nécessitant pas d'éléments actifs dans la structure du guide d'onde, par exemple des dispositifs séparés de réglage de fréquence. Elle concerne aussi un tel gyroscope à laser à résonateur annulaire passif ayant un bruit très réduit et donc une excellente qualité de signal. Elle concerne aussi un tel gyroscope à laser dont la fabrication est peu complexe et dont le coût est peu élevé. Le gyroscope à laser à résonateur annulaire de type passif décrit dans le présent mémoire comporte une diode laser à semi-conducteur commutée entre deux fréquences. Le signal de sortie de la diode laser est couplé à un guide d'onde à dérivation. La lumière se propageant dans le guide d'onde à dérivation est couplée à un guide d'onde annulaire travail- lant à la résonance afin que les faisceaux se propageant dans les deux sens soient excités, ces faisceaux étant échantil- lonnés par des détecteurs contrôlant le signal de sortie des guides d'onde et couplés par ondes évanescentes aux guides d'onde annulaires. Le courant du laser est commuté à une fré- quence fixe entre deux valeurs correspondant aux fréquences de résonance des deux sens de propagation dans l'anneau de guidage d'onde. Les valeurs du courant sont déterminées par un dispositif d'asservissement suivant la résonance. Dans un premier mode de réalisation, les signaux de sortie des détecteurs sont commu- tés en synchronisme avec le laser et une seule boucle d'as- servissement est utilisée. Dans un autre mode de réalisation, l'entrée du laser est commutée par deux boucles parallèles d'asservissement. L'information à la fréquence du gyroscope est lue par formation de la différence entre les signaux de réaction dans la boucle d'asservissement. Le laser peut être modulé et une démodulation sensible à la phase peut être uti- lisée lorsque la commande d'asservissement doit être insensi- ble à l'amplitude. Dans les deux modes de réalisation d'as- servissement, deux fréquences différentes de modulation peu- vent être utilisées. Un isolement supplémentaire du laser peut être incorporé afin que la réaction soit réduite. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est un schéma d'un gyroscope à laser selon l'invention; la figure 2 est un graphique représentant la va- riation de la fréquence du laser au cours du temps; la figure 3 est un graphique représentant la va- riation de la fréquence du laser avec le courant appliqué; et la figure 4 est une perspective schématique repré- sentant un mode de réalisation de gyroscope selon l'invention réalisé en couches minces. On décrit d'abord l'invention en référence à la figure 1. Un gyroscope 10 à laser comporte une diode laser 12 à semi-conducteur qui crée de la lumière laser monochroma- tique. La lumière du laser 12 passe dans un isolateur éventuel 14 puis pénètre dans un guide d'onde 16 à dérivation de 3dB. Les deux branches 17 et 18 du guide d'onde injectent des fais- ceaux lumineux dans le sens des aiguilles d'une montre et en sens inverse des aiguilles d'une montre par couplage par ondes évanescentes dans un guide d'onde annulaire 19. Les signaux de sortie des guides d'onde 20 et 22 sont utilisés pour le contrôle de la lumière absorbée par le guide d'onde 18. Le signal de sortie du guide d'onde 20 est transmis à un détecteur 24 et celui du guide d'onde 22 à un détecteur 26. Le signal de sortie du détecteur 24 est une tension V1 et celui du détecteur 26 une tension V2. Un commutateur 28 est destiné à transmettre alternativement les tensions V1 et V2 à l'entrée d'un dispositif 30 d'asservissement. Le signal de sortie de celui-ci est comparé à une fréquence de référence FMOD qui est utilisée pour le réglage du courant transmis à la diode laser 12. Comme l'indique la figure 2, la fréquence de la diode laser 12 est commutée entre les valeurs F1 et F2 à intervalles réguliers. La variation de fréquence de la diode laser 12 est assurée par modifcation du courant fourni à cette diode 12. Cette relation est représentée sur la figure 3 qui indique que la fréquence varie de manière pratiquement linéai- re avec l'intensité du courant fourni i. - Lors du fonctionnement, le courant i de la diode 12 est commuté à une fréquence fixe entre deux valeurs qui sont choisies afin qu'elles correspondent aux fréquences de résonance des deux sens de propagation dans l'anneau. Les hommes du métier peuvent noter que la longueur efficace du trajet dans le guide d'onde 18 est différente pour les fais- ceaux dans le sens des aiguilles d'une montre et en sens in- verse lorsque le gyroscope 10 a une vitesse angulaire autour d'un axe perpendiculaire au plan de la figure 1, si bien que les faisceaux se propageant dans les deux sens ont des fréquences différentes de résonance. Les valeurs du courant du laser sont déterminées par le circuit 30 d'asservissement qui suit la résonance. Ainsi, le circuit 30 règle la fré- quence de la diode 12 afin que les deux faisceaux se propageant dans les deux sens dans le guide d'onde 18 soient maintenus à la résonance. Le commutateur 28 est commandé en synchronisme avec la commutation de la fréquence du laser afin que les faisceaux se propageant dans les deux sens soient maintenus à la résonance. La différence entre les fréquences des deux faisceaux F1 - F? est proportionnelle à la rotation angulaire du gyroscope 10 a laser autour d'un axe perpendiculaire au plan de la figure 1. La figure 4 représente une réalisation matérielle du gyroscope à laser considéré. Le gyroscope 10 à laser est réalisé sur un substrat 40, de préférence de verre, et com- prend un laser 42 à semi-conducteur d'arséniure de gallium et d'aluminium. Le signal de sortie du laser 42 est couplé à un guide d'onde 44 à dérivation qui assure un couplage par ondes évanescentes au guide d'onde annulaire 46. Ce dernier est de préférence formé par échange d'ions. La lumière se propageant dans le guide d'onde 46 est contrôlée par les guides d'onde 48 et 50 de sortie et est détectée par des détecteurs 52 et 54. Les signaux de sortie des détecteurs 52 et 54 sont utilisés par un circuit électronique (non repré- senté) qui peut être incorporé au substrat 40. Un tel cir- cuit électronique constitue un système d'asservissement du type décrit en référence à la figure 1. Comme la présente invention élimine tout élément actif tel que des modulateurs électro-optiques destinés à assurer un décalage de la fréquence, le gyroscope résultant à laser donne un signal de meilleure qualité, avec un moindre bruit. En-outre, le coût est réduit car des éléments actifs sont inutiles. De plus, l'isolement dans le temps des deux fréquences de résonance éliminent le phénomène de battement qui apparaît de manière connue dans les gyroscopes à laser lorsque des faisceaux se propageant dans les deux sens coexistent dans la cavité résonante. En outre, l'isolement temporel réduit les interactions optiques telles que les effets Kerr. REVENDICATIONS 1. Gyroscope à laser, caract6risé en ce qu'il comprend un laser (22), un guide d'onde annulaire (18), un dispositif (16,18) de couplage de la lulire du laser au guide d'onde annulaire afin qu'il forme des fais- ceaux se propageant en sens inverses, des guides d'onde (20, 22) coupl6s par des ondes 6vanescentes aux guides d'onde annulaires afin qu'ils contrô- lent la lumière se propageant dans le guide d'onde annulaire, un premier et un second détecteurs (24, 26) destin6s à d6tecter la lumière dans le guide d'onde annulaire, et un dispositif d'asservissement (30) destin6 à r6gler la fréquence du laser afin que les faisceaux se propageant dans les deux sens soient maintenus à la r6sonance dans le guide d'onde annulaire. 2. Gyroscope selon la revendication 1, caract6- risé en ce que le laser (12) est commut6 entre des fréquences F1 et F2, F1 - F2 6tant proportionnel à la rotation angulaire du gyroscope à laser. 3. Gyroscope selon la revendication 1, caract6- risé en ce qu'il comprend en outre un isolateur (14) plac6 entre le laser (12) et le dispositif (16, 18) de couplage.