Brevet FR2590015A1 — publié le 19870515

I DISPOSITIF INTERFEROMETRIQUE EN ANNEAU RECIPROQUE A FIBRE OPTIQUE MONOMODE La présente invention concerne un dispositif interféromètrique réciproque en anneau à fibre monomode. Dans un interféromètre en anneau, ou interféromètre de SAGNAC, deux faisceaux parcourent en sens opposés un même trajet optique et interfèrent à la sortie de ce trajet. Pour autant qu'une perturbation de ce trajet présente les mêmes caractéristiques pour les deux sens de propagation et ne varie pas pendant la durée du transit de la lumière dans l'interféromètre, les deux faisceaux sont affectés identiquement et leur phase relative demeure inchan- gée. Les perturbations de ce type sont dites "réciproques". Parce que le temps de transit dans un interféromètre est généralement très petit, les variations d'une perturbation pendant ce temps, sauf si celle-ci est introduite volontairement, sont généralement négli- geables. Mais il existe des perturbations "non réciproques" qui présen- tent une amplitude différente aux deux sens de propagation, il s'agit d'effets physiques qui, en établissant son orientation complète, détruisent la symétrie de l'espace ou du milieu. Deux effets connus présentent cette propriété: - l'effet Faraday, ou effet magnéto-optique colinéaire, par lequel o un champ magnétique crée une orientation préférentielle du spin des électrons du matériau optique; - et l'effet Sagnac, par lequel effet inertiel relativiste, o la rotation de l'interféromètre par rapport à un repère gallinéen détruit la symétrie des temps de propagation. L'utilisation de la rotation par rapport à l'espace inertiel conduit à la réalisation de gyromètres à fibre optique et l'utilisation du champ magnétique conduit à la réalisation de capteurs de courant ampèremétriques ou de magnétomètres. Il a été montré que l'utilisation d'une configuration parti- culière, dite réciproque, permet d'annuler exactement tout dépha- sage autre que ceux induits par les effets non réciproques. Cette configuration nécessite cependant de détecter la lumiè- re revenant par la porte d'entrée monomode de l'interféromètre. Ceci nécessite l'utilisation d'un séparateur qui permet de renvoyer une partie de la lumière sortante sur un détecteur tout en couplant de la lumière en entrée. Le signal retour sur le détecteur est optimum quand le séparateur est du type 50-50. En réalité, il s'agit d'un deuxième séparateur car un inter- féromètre en anneau nécessite un premier séparateur ou diviseur de faisceau à l'entrée de l'anneau, injectant dans celui-ci deux ondes contrarotatives et les recombinant après qu'elles aient parcouru l'anneau. En plus de l'utilisation de composants optiques classiques, il a été proposé l'utilisation de composants en optique guidée: optique intégrée ou tout-fibre. Il est notamment habituel de réaliser les séparateurs en optique intégrée. Or les deux séparateurs ne jouent pas un rôle équivalent. Le premier séparateur doit avoir au moins trois portes monomodes pour pouvoir se coupler efficacement sur un filtre unimodal d'entrée-sortie et les deux extrémités de la bobine de fibre monomode de l'anneau. Il n'est, par contre, requis que deux portes monomodes sur le deuxième séparateur: source ou sa fibre amorce et filtre unimodal d'entrée-sortie. La porte débouchant sur le détecteur n'a pas besoin d'être monomode sans pour autant que l'interféromètre cesse d'être monomode. Il est donc possible de simplifier l'architecture d'un inter- féromètre en anneau réciproque et c'est le but que se fixe lin- vention. L'invention a donc pour objet un dispositif interféromètre en anneau comprenant une fibre optique monomode formant ledit anneau, des moyens d'émission d'énergie lumineuse cohérente d'une longueur d'onde déterminée, des moyens de séparation et de mélange du rayonnement pour diriger, simultanément et par parties égales, 2 5 9 0 0 5 l'énergie lumineuse cohérente émise vers les deux extrémités de la fibre optique monomode et pour recombiner le rayonnement émer- geant des deux extrémités de la fibre optique monomode et un segment de fibre optique monomode comprenant un coeur et une gaine, segment de fibre optique monomode formant un filtre de mode et disposé entre les moyens de séparation et de mélange et les moyens d'émission d'énergie lumineuse, caractérisé en ce que ledit segment de fibre monomode est muni de moyens dérivateurs géné- rant des pertes directives créant un faisceau s'échappant de ladite fibre optique suivant une direction de propagation moyenne déter- minée et en ce qu'il comprend un organe opto-électronique de détection dudit faisceau. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description qui suit en réfé- rence aux figures annexées et parmi lesquelles: - la figure I illustre schématiquement un interféromètre de l'Art Connu; - les figures 2 et 3 illustrent schématiquement un inter- féromètre selon l'invention; - la figure 4 illustre une première variante de réalisation du dispositif selon l'invention; - les figures 5 à 10 illustrent une seconde variante de l'invention selon deux modes d'exécution; - la figure 11 illustre une troisième variante de réalisation selon l'invention. Il paraît tout d'abord utile de rappeler les principales dispo- sitions retenues pour rendre un interféromètre strictement réci- proque. La figure 1 illustre schématiquement un exemple d'archi- tecture d'interféromètre en anneau réciproque selon l'Art Connu. Sur cette figure 1 est représenté un interféromètre en anneau dont l'anneau est réalisé en fibre optique monomode 5, mais dont le coeur est constitué d'éléments optiques traditionnels. L'addition d'un filtre de mode 3 rend un tel interféromètre strictement réciproque. Le faisceau incident Il produit par une source laser traverse un filtre de mode 3 et se sépare en deux sur une lame semi- transparente 4. Une partie 12 du faisceau est envoyée dans la fibre optique par l'intermédiaire d'une lentille 41 qui le focalise sur l'entrée 50 de la fibre optique 5, tandis que l'autre partie 13 du faisceau est envoyée sur cette même fibre optique 5 par l'inter- médiaire d'une lentille 42 qui le focalise sur l'entrée 51 de cette fibre optique 5. Les deux faisceaux parcourent la fibre en sens inverse et sont repris dans le bras de l'interféromètre par la lame semi-transparente 4. Ils retraversent le filtre de mode 3 et sont séparés du faisceau incident par une lame semi-transparente 2 qui les envoit en partie dans un bras de sortie 6 dans lequel on détecte le signal d'interférence, à l'aide d'un photodétecteur 60. L'utilisation d'une fibre optique monomode 5 comme chemin optique permet d'augmenter très fortement la longueur de ce chemin optique. En effet, la fibre optique est habituellement enroulée pour former une bobine multispire. On réalise ainsi, par exemple, des gyroscopes très sensibles. Il a été proposé de remplacer les éléments discrets par des éléments optiques intégrés ce qui permet d'améliorer le bilan énergétique. On peut également remplacer le filtre de mode 3 par un élément d'optique intégrée ou plus simplement par une fibre optique monomode. En effet, une fibre optique monomode de quelques décimètres forme un filtre de mode quasi parfait. La configuration théorique d'un interféromètre simplifié de ce type est représenté schématiquement sur la figure 2. Sur cette figure, on a omis volontairement les moyens d'extraction de la lumière recombinée et de détection de cette lumière. L'anneau, constitué d'une fibre optique monomode 5, est couplé par ses deux extrémités à un circuit d'optique intégré assurant les fonctions de séparation et de recombinaison de la lumière. Ce circuit est couplé optiquement à la source 10 par un tronçon de fibre optique monomode 7 qui joue également le rôle du filtre de mode 3 de la figure 1. Ce dispositif est strictement monomode mais ne peut fonc- tionner en l'état car il faut extraire une partie de P'onde retour et la détecter. Pour ce faire, comme représenté sur la figure 3, il est inséré entre le circuit 8 et la source 10, un dérivateur 3 dB. Ce dérivateur porte la référence 9 sur la figure 3. Il est couplé à la source 10 par un premier tronçon 70 de fibre monomode et au circuit 8 par un second tronçon 71 de fibre monomode. En outre, il est couplé optiquement à un organe opto-électronique de détection 60. Conformément à l'invention, seules les couplages entre, d'une partit la source l0 et le dérivateur 9 et, d'autre part, entre le dérivateur et le circuit 8 sont du type monomode. Le couplage optique entre le dérivateur 9 et l'organe opto-électronique 60 peut être simplifié. La structure de ce dérivateur 9 est susceptible de plusieurs variantes de réalisation. Selon une première variante de réalisation, représentée sur la figure 4, le dérivateur est constitué par une fibre optique monomode dans laquelle on introduit une microcourbure. Dans cette variante, comme dans le cas du dispositif de la figure 2, il n'y a en réalité qu'une fibre unique de couplage entre la source 10 et le circuit 8. En un endroit de cette fibre optique 7, on introduit une micro-courbure. En réglant le rayon de courbure r et en fixant le tronçon de fibre optique courbe dans un support 90, on obtient des pertes directives qui peuvent être ajustées à 50%. On peut procéder par essais successifs et mesures. L'onde incidente, en provenance du circuit 8, est donc trans- mise en une onde transmise à hauteur de 50% de l'énergie incidente. L'énergie restante s'échappe de la fibre optique 7 et est transmise vers le détecteur 60. La fibre optique 7 est noyée dans un milieu d'indice supérieur à la gaine dont elle est munie. Il peut s'agir de liquide, contenu dans un boîtier plastique, ou de colle polymérisable par exposition à un rayonnement ultraviolet, transparente aux longueurs d'ondes utili- sées. A titre d'exemple, pour une longueur d'onde de 0,8 micromètre et une fibre monomode de section de coeur de 5 micromètres, le rayon de courbure r nécessaire est de l'ordre de I mm. Selon une seconde variante, on courbe légèrement la fibre optique monomode 7 et on procède à une érosion superficielle et un poli de cette fibre optique. Cette attaque ne concerne que la gaine optique G. On fixe la fibre optique 7 donc un bloc support 91. ' On place alors au-dessus de cette zone polie un bloc 92 parallélépipédique rectangle de matériau d'indice supérieur à celui du coeur C, par exemple du verre si la fibre optique est en silice. Le méplat du poli affleure sur une des faces du bloc 91, sur la face supérieure dans l'exemple illustré. Il se produit alors des pertes qui sont recueillies par un organe optoélectronique de détection 60 placé contre une des faces du bloc 92. Sur la figure 5, la lumière étant supposée se propager de gauche à droite, le photodétecteur 60 est placé sur la droite du bloc 92. Le support 91 est, par exemple, en colle polymérisable sur la face supérieure duquel est placé l'ensemble bloc 92 et photo- détecteur 60. L'importance des pertes dépend de l'épaisseur e de gaine restant entre la face intérieure du bloc 92 et le coeur C de la fibre optique monomode 7. Les pertes obtenues sont directives. Un autre avantage est que l'angle moyen sous lequel s'échappe la fraction de lumière dûe aux pertes directives est relativement important. Ce phénomène va être explicité en relation avec la figure 6. Si l'on considère deux rayons particuliers R1 et R2, en début et en fin de la zone d'interaction entre le milieu du bloc 92 et la gaine G, zone d'interaction de longueur a, la relation suivante est satis- faite nF x a = nm x b (1) dans laquelle: nF est l'indice de réfraction de la fibre optique; nm est l'indice de réfraction du milieu du bloc 82; nm a est la longueur d'interaction; b est le chemin optique parcouru par le rayon R1 entre sa sortie de la fibre optique et le plan de phase PP passant par le point de sortie du rayon R2. Pour que la condition de phase soit respectée, il faut que la relation suivante soit satisfaite b nF Cos = b - 1 (2) m a n m n ou m = arc Cos () (3) m n m relation dans laquelle em est l'angle que fait le rayon R1 avec la surface de la gaine, c'est-à-dire la surface du poli. Dès que l'on se place en dessous de la valeur 1, l'angle est très vite important. Pour la silice, nF est égal à 1,46 et l'angle Om est égal à 16 . Le dispositif présente également d'autres avantages. La zone d'interaction peut être relativement longue: pour un rayon de courbure de la fibre optique 7 compris dans la gamme 3 à cm, la zone d'interaction à une longueur (a) de l'ordre de 1 mm. Elle concerne les dimensions longitudinales de la zone. Par contre, comme illustré sur la figure 7, le polissage de la région superficielle de la fibre optique courbée se traduit par une surface oblongue. La largeur maximale de la zone d'interaction est égale à b. Pour les valeurs précédemment indiquées de courbure et de longueur a de la zone d'interaction, b est typiquement de l'ordre de quelques micromètres. Cette zone superficielle polie occasionnant des pertes par interaction avec le milieu du bloc 92 se comporte comme une source d'énergie rayonnante cohérente. Aussi la diffraction est très faible, de l'ordre de 10-3 rad, dans un plan longitudinal perpendiculaire à la surface de polissage S. Par contre, l'angle c de diffraction dans un plan formant un angle Gm avec la surface de polissage est relati- vement important. L'angle c est typiquement compris dans une gamme de 10 à 20 . Enfin, comme il a été signalé, il faut que l'indice de réfraction du bloc 82 soit supérieur à celui du coeur C de la fibre optique 7. Cependant, cette condition peut être réalisée avec de nombreux matériaux sans ajustement critique. En effet, comme illustré par la figure 8 représentant les pertes en dB en fonction de l'indice de réfraction du milieu 82, une fois franchi un pic positionné immédiatement après la valeur de l'indice de réfraction du coeur de la fibre optique, les courbes ne présentent que des variations en pentes douces. Il a été représenté deux courbes pour deux valeurs arbitraires e1 et e2 de l'épaisseur de gaine restante. Dans l'exemple choisi, on a supposé que le coeur était en silice d'indice égal à 1,46 et le bloc 92 en verre d'indice 1,52. De façon pratique, on procède à un polissage progressif jusqu'à ce que, pour un matériau du bloc 82 donné, on obtienne des pertes les plus proches possibles de 3dB. Dans l'exemple illustré, il est supposé que, pour le verre, la valeur de e nécessaire est égale à e2. Pour fixer les idées, pour une fibre optique de diamètre extérieur égal à 100 micromètres et de diamètre de coeur égal à 5 micromètres, et dans le cadre des valeurs précédemment énoncées, des pertes égales à 3dB sont obtenues pour une valeur de e comprise dans la gamme de 2 à 5 micromètres. Cette deuxième variante est susceptible d'une amélioration. En effet, la lumière est guidée dans les deux sens dans la fibre optique 7: lumière émise par la source et lumière recombinée en sortie de l'anneau. Seule cette dernière présente de l'intérêt et doit être détectée. Les pertes, par contre, concernent les deux sens de propa- gation. On dispose à la place du bloc 92, un élément dont une paroi joue le rôle de miroir et transmet la lumière utile suivant une direction privilégiée. Cette disposition est illustrée par la figure 9. Le faisceau représenté sur la figure 9 par rayon unique R' correspond aux pertes que subit l'onde générée par la source et transmise vers l'anneau. Ce faisceau doit être éliminé ou plus exactement transmis en suivant une direction pour laquelle il n'y a pas de risque d'interférences avec le faisceau utile, représenté également par un rayon unique R. Celui-ci correspond à la lumière recombinée et retransmise vers la source. Selon la variante illustrée par la figure 9, ce rayon R est réfléchi par une paroi formant miroir M, de sorte que l'on peut disposer le photodétecteur en surplomb de la fibre optique 7. De façon pratique, comme illustré par la figure 10, l'élément à disposer au-dessus de la fibre optique va être constitué d'un seg- ment de cylindre 93. Ce cylindre comporte deux bases planes comprises dans des plans parallèles entre eux P1 et P2, de manière à ce que le plan supérieur P2 ou plan de sortie soit parallèle à la surface du poli effectué sur la fibre optique 7. Cependant les plans de coupe ne sont pas orthogonaux à l'axe de symétrie A du cylindre. On peut alors disposer sur le plan supérieur Pl un organe optoélectronique de détection 60. Celui-ci peut prendre la forme d'un boîtier classique de type TO5 par exemple, dont la fenêtre d'entrée de l'élément photodétecteur est couplé optiquement au plan PI. Le faisceau utile est réfléchi par la paroi du cylindre 93. Comme précédemment, le matériau du cylindre doit avoir un indice de réfraction plus grand que celui du coeur C de la fibre optique 7. Le faisceau parasite R' est, par contre, refracté par la paroi du cylindre 93 et transmis suivant une direction pratiquement parallèle au plan de la zone d'interaction. Si l'on règle de façon judicieuse l'angle y que fait l'axe A du cylindre 93 avec le plan de la surface de la zone d'interaction ainsi que la distance h séparant celle-ci du photodétecteur 60, on peut faire converger le faisceau réfléchi vers une zone centrale de celui- ci. En effet, outre la fonction miroir, le cylindre 93 joue le rôle de lentille cylindrique. Comme il a été indiqué, l'angle de diffraction est important dans un plan formant un angle Gm avec la surface de la zone d'interaction. Le faisceau R est donc un faisceau divergent dans ce plan. Le cylindre 83 refait converger, après réflexion sur la paroi, le faisceau R et le focalise, si les conditions précédemment énoncées sont satisfaites, en un point situé dans le plan P1 ou proche de ce plan. Plus précisément, le point de focalisation doit être situé sur la surface active de l'élément photodétecteur 60. Il est à noter que, habituellement, la réflexion sur la paroi du cylindre 93 est quasi-totale et qu'il n'y a pas besoin de métalliser la surface extérieure du cylindre. De la même manière, l'optique constituée par le barreau cylindrique 93 n'a pas besoin d'être de qualité et qu'enfin le poli effectué sur la gaine optique G n'est pas critique. En effet, si on utilise une colle polymérisable aux ultraviolets pour fixer le barreau de même indice de réfraction que celui du barreau 93, les défauts de polissage sont, de ce fait, fortement atténués. La colle remplit les aspérités subsistantes. La base du barreau cylindrique 93 doit couvrir toute la surface de la zone polie. Pour fixer les idées, l'angle y est en général de l'ordre de 600. La valeur de h est égale à environ les quatre cinquièmes du diamètre de la section droite du cylindre 93. A titre d'exemple, le diamètre est égal à 2 mm et h est égal à 1,5 mm. Il est à noter que le dispositif qui vient d'être décrit est simple de mise en oeuvre et ne présente aucun paramètre critique. Il faut également noter, qu'un des problèmes rencontrés dans le cadre des applications envisagées, à savoir les applications pour lesquelles un gyromètre est mis en oeuvre, est la dérive thermiqueo Si l'on se reporte à la courbe illustrée par la figure 8, l'on ze place dans une zone stable en température et de toute façon à faible pente. En outre, l'optimum pour les pertes est de 3dB, ce qui correspond à 50% de lumière captée et 50% de lumière transmise. On peut constater que cette valeur n'est pas critique car le produit, égal à 0,25 pour 50% - 50%, devient égale à 0,24 pour 40% - % ou 60% - 40%. Là encore l'ajustement des pertes à 50% n'est pas critique. La figure 11 illustre une troisième variante de réalisation du dispositif selon l'invention. On effectue un rétrécissement du diamètre de la fibre optique 7. On peut procéder par étirement. La fibre optique 7 est alors entourée par un manchon 94 en matériau d'indice de réfraction supérieur à celui du coeur C. Il se produit là encore des pertes directives qui peuvent être captées par un détecteur. Pour ce faire, on enfile sur la fibre optique, au-dessus du manchon 84 dans l'exemple illustré sur la figure 11, un détecteur annulaire 60. Celui-ci comprend un support 600 et une région active 601 recevant le rayonnement s'échappant de la fibre optique 7. Le détecteur annulaire 60 peut être réalisé simplement en partant d'un photodétecteur classique en forme de disque dans lequel on a réalisé un canal central 602 par toute méthode appropriée de l'Art Connu, par exemple par attaque chimique. Tous les dispositifs qui viennent d'être décrits présentent l'avantage de la simplicité et présentent également une excellente stabilité thermique. Ils ne font pas intervenir de différences d'indices de réfraction faibles difficiles à ajuster et ne nécessitent pas de positionnement micrométriques. Ils conservent naturellement la propriété d'être entièrement monomode pour la partie interféromètre proprement dite. L'invention n'est pas limitée aux seuls exemples de réalisations précisément décrites mais englobe toutes modifications à la portée de l'Homme de Métier. REVENDICATIONS 1. Dispositif interféromètre en anneau comprenant une fibre optique monomode (5) formant ledit anneau, des moyens d'émission d'énergie lumineuse cohérente d'une longueur d'onde déterminée (10), des moyens de séparation et de mélange (8) du rayonnement pour diriger, simultanément et par parties égales, l'énergie lumi- neuse cohérente émise vers les deux extrémités de la fibre optique monomode (5) et pour recombiner le rayonnement émergeant des deux extrémités (50, 51) de la fibre optique monomode (5) et un segment de fibre optique monomode (7) comprenant un coeur (C) et une gaine (G), segment de fibre optique monomode formant un filtre de mode et disposé entre les moyens de séparation et de mélange (8) et les moyens d'émission (10) d'énergie lumineuse, caractérisé en ce que ledit segment de fibre monomode (7) est muni de moyens dérivateurs (9) générant des pertes directives créant un faisceau s'échappant de ladite fibre optique (7) suivant une direction de propagation moyenne déterminée et en ce qu'il comprend un organe opto-électronique (60) de détection dudit faisceau. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par un bloc à faces planes de matériau transparent à la longueur d'onde émise, d'indice de refrac- tion supérieur à celui du coeur (C) dudit segment de fibre optique (7) formant filtre de mode et enserrant celle-ci de manière à ce qu'elle présente une microcourbure de rayon déterminée (r) générant lesdites pertes directives et en ce que l'organe optoélectronique (60) de détection est disposé sur une des faces planes du bloc (90) de manière à capter l'énergie s'échappant de la fibre optique (7). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit segment de fibre optique (7) est maintenu dans un support (9) et comporte un méplat obtenu par polissage d'une zone superficielle de la gaine (G) de manière à ne laisser subsister qu'une épaisseur de gaine (G) de valeur déterminée (e) le support comportant une face plane sur laquelle affleure ledit méplat et en ce qu'il comporte un bloc (91) de matériau transparent à la longueur d'onde émise d'indice de réfraction supérieur à celui du coeur (C) dudit segment de fibre optique (7) comprenant une première face plane accolée audit méplat et une seconde face plane sur laquelle est disposé ledit organe optoélectronique de détection (60). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le bloc 6 est un barreau cylindrique (93) dont l'axe de symétrie (A) est incliné d'un angle (y) déterminé par rapport au plan dudit méplat de manière à ce que le faisceau (R) s'échappant de la fibre optique (7) formant filtre de mode soit réfléchi par la paroi cylindrique, le barreau jouant en outre le r8le d'une lentille cylindrique focalisant le faisceau réfléchi sur l'organe optoélectronique de détection disposé sur ladite deuxième face plane (pl). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit segment de fibre optique (7) comportant un rétrécissement dans une zone de longueur déterminée (a), lesdits moyens sont formés par un manchon (94) en matériau transparent à la longueur d'onde émise d'indice de réfraction supérieur à celui du coeur (C) générant lesdites pertes directives et en ce que l'organe opto- électronique de détection (60) est formé par une photodiode compor- tant un canal central (602) enfilée sur le segement de fibre optique (7) de manière à capter le faisceau s'échappant de la fibre optique. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que ladite fibre optique (7) étant à base de silice, le matériau d'indice de réfraction supérieur à celui du coeur (c) de la fibre optique (7) est du verre. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau d'indice supérieur à celui du coeur (C) dudit segment de fibre optique (7) est à base de colle polymé- risable lorsqu'elle est soumise à un rayonnement ultraviolet.