Brevet FR2586293A1 — publié le 19870220

-, - 2586293 La présente invention concerne des gyroscopes à interféromè- tre à fibre optique utilisant l'effet Sagnac. Il est connu d'utiliser un bobinage multispire de fibre op- tique dans lequel, au moyen de dispositifs de séparation et de com- binaison de faisceau, la lumière provenant d'un laser unique est propagée simultanément dans les deux sens pour fournir, grâce à un photodétecteur, des signaux de sortie influencés par la rotation. Un agencement de ce type est par exemple décrit dans "Sensitivity analy- sis of the Sagnac-effect optical-fibre ring interferometer" par Shih- Chun Lin et Thomas G. Giallorenzi dans Applied Optics, volume 18, no 6, 15 mars 1979. Lorsque les signaux de sortie sont combinés, il se produit des structures de franges d'interférence qui, dans un sys- tème fixe, forment une structure fixe dont la forme dépend de la na- ture de l'optique d'image. Si le système est mis en rotation autour de l'axe du bobinage, il se produit des excursions de frange, ce qui permet, par un traitement approprié, d'obtenir des informations sur la vitesse de rotation. En fonction des caractéristiques physiques du système (ex. longueur d'onde A utilisée, longueur de fibre, etc.) et de la plage des vitesses de rotation à superviser, des systèmes fonctionnant à l'intérieur d'une seule frange ou sur plusieurs franges peuvent être envisagés. Comme type de gyroscope à fibres optiques, on citera la con- ception à "architecture réciproque" qui est décrite par R. Ulrich dans un article intitulé "Fibre optic rotation sensing with low drift", Optics Letters no 5 (5), mai 1980, pages 173 à 175. Une ca- ractéristique essentielle du gyroscope à architecture réciproque ré- side dans le filtre de mode de signal (à la fois spatial et de pola- risation) qui forme l'accès commun d'entrée et de sortie de l'inter- féromètre de Sagnac et supprime la dérive de polarisation due aux variations de biréfringence dans le bobinage de capteur. L'examen de la documentation, par exemple Kintner E.C.: "Polarisation control in opticalfibre gyroscopes", Optics Letters 6 (3), mars 1981, pages 154 à 156, montre que, pour une source présentant une importante longueur de cohérence, la polarisation n'est que faiblement supprimée par le -2- 2586293 filtre de mode, de sorte que, par exemple, un filtre possédant une extinction de 80 dB ne réduit la polarisation que d'un facteur de 104. La demande de brevet anglais no 8132314 décrit une architec- ture à modulateurs de phase dérivée du gyroscope à fibre optique à architecture réciproque minimum, destiné à un gyroscope à fibre opti- que homodyne, dans lequel sont montés deux modulateurs de phase opti- que, de manière asymétrique par rapport à la boucle de fibre, ainsi qu'une source commutée de façon synchrone, qui permet d'appliquer à la fois la modulation et la polarisation de phase. Avec une commande par contre-réaction à partir de la sortie du gyroscope, il peut être exploité comme un système à boucle à verrouillage de phase, dans le- quel la sortie de l'interféromètre est maintenue à une valeur parti- culière et la vitesse de rotation est dérivée du signal de commande de la boucle. Une variante de ce système est décrite dans la demande de brevet anglais n 8301654 qui améliore le rendement des modulateurs de phase "pzt", et le photodétecteur y est échantillonné pour fournir le signal alternatif désiré à la sortie. La présente invention a pour but de perfectionner la sup- pression de polarisation dans un gyroscope à fibre optique. Conformément à la présente invention, il est prévu un dispo- sitif à effet Sagnac tel qu'un gyroscope à fibre optique, comprenant un guide d'ondes optiques détecteur, une source pour émettre des si- gnaux en direction du guide d'ondes optiques détecteur, un détecteur conçu pour détecter les signaux provenant du guide d'ondes détecteur de manière à être influencé par l'effet Sagnac, des moyens de filtre monomode conçus pour transporter les signaux émis et reçus, et un élément de dispersion conçu pour réduire les signaux parasites provo- qués par les interférences entre les signaux émis et reçus. Les différents objets et caractéristiques de l'invention se- ront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, un bloc-diagramme simplifié d'un gyroscope à - 3 -2586293 fibre optique à architecture minimum, tel que décrit par R. Ulrich dans l'article de mai 1980 précédemment cité à titre de référence, - la figure 2, un bloc-diagramme d'un gyroscope à fibre op- tique analogue à celui de la figure 1, mais modifié conformément à un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 3, un bloc-diagramme d'un gyroscope à fibre op- tique analogue à celui de la figure 1, mais modifié conformément à un deuxième mode de réalisation de la présente invention, - la figure 4, un bloc-diagramme d'un gyroscope à fibre op- tique analogue à celui de la figure 1, mais modifié conformément à un troisième mode de réalisation de la présente invention. En référence à la figure 1, le gyroscope à fibre optique à "architecture minimum simplifiée" comprend une source optique S et un photodétecteur D, un filtre polariseur et filtre de mode unique P, un premier séparateur de faisceaux BS1 et un second séparateur de fai- sceaux BS2, et un guide d'ondes détecteur sous la -forme d'un bobinage de fibre F. D'autres composants, tels que des modulateurs optiques, des dépolariseurs et une unité électronique doivent également être prévus, comme le constatera l'homme de l'art, mais ils ne sont pas nécessaires à la compréhension de la présente invention. La source S peut être un laser à semi-conducteurs ou une diode électroluminescente, le détecteur peut être une diode PIN ou une photodiode à avalanche, les séparateurs de faisceau BS1 et BS2 peuvent être des coupleurs de fibres, des coupleurs directionnels op- tiques intégrés ou des jonctions Y optiques intégrées. De manière ap- propriée, le polariseur et le filtre monomode P peut être conçu sous la forme d'un dispositif unique qui peut être un polariseur à fibre ou un polariseur optique intégré. Ces dispositifs sont biréfringents. La présente invention a pour but d'introduire une dispersion de polarisation suffisante pour excéder la longueur de cohérence de la source avec une marge suffisante afin de rompre la cohérence des paires d'ondes qui, sans cela, apporterait une polarisation dans la réponse du gyroscope à fibre optique en raison de la biréfringence du bobinage de capteur. Un premier mode de réalisation de la présente invention est représenté à la figure 2. A la figure 2 ainsi qu'aux figures 3 et 4, les mêmes chiffres et lettres de référence désignent des éléments identiques. A la figure 2, un guide d'ondes monomode biréfringent BSMG est prévu en aval du polariseur P. La figure 3 illustre un autre mode de réalisation dans lequel un guide d'ondes monomode biréfringent BSMG est prévu en amont du polariseur. Pour la figuré 2 comme pour la figure 3, le guide d'ondes monomode biréfringent BSMG peut être constitué par une lon- gueur de fibre hautement biréfringente ou par une longueur de guide d'ondes optique intégré dans un substrat biréfringent tel que du nio- bate de lithium. Conformément à un troisième mode de réalisation de la pré- sente invention, représenté à la figure 4, un polariseur biréfringent BP dispose d'une longueur suffisante pour que sa dispersion de po- larisation excède la longueur de cohérence de la source. Le polari- seur biréfringent BP remplace le polariseur P représenté dans le gy- roscope à fibre optique de la figure 1. Le polariseur biréfringent BP pourrait être constitué d'une longueur de fibre polarisante ou d'un polariseur optique intégré. On trouvera ci-après une explication succincte du phénomène produit. Dans les gyroscopes à fibre optique concrets représentés aux figures 1 à 4, le filtre de mode est habituellement une fibre à pola- risation unique ou fait partie d'une puce optique intégrée en niobate de lithium. Dans de tels cas, le filtre est biréfringent et est en- touré d'éléments biréfringents dont les modes sont très voisins de ceux du filtre.Il s'est révélé que si la dispersion de l'élément bi- réfringent excède la longueur de cohérence de la source, la plupart des termes de polarisation dela biréfringence sont réduits propor- tionnellement à la fonction de cohérence de la source. Les termes restants sontfortement supprimés par le filtre de mode, de sorte que, par exemple, un filtre possédant une extinction de 40 dB réduise ces termes d'un facteur de 104. Pour les besoins de l'explication, on considérera que les modes propres du filtre et de l'élément biréfrin- gent sont identiques. Les deux modes polarisés sont désignés par x et y, x étant le mode admis par le filtre (ou polariseur) de mode, et y - 5 - 2586293 étant celui qui est atténué. Le temps pris par le mode x pour traver- ser l'élément biréfringent est tx, et celui correspondant au mode y est Ty. A l'issue d'un passage de cet élément, les modes x et y sont sont temporellement séparés d'une valeur Tx - Ty. On considérera maintenant la lumière qui, après avoir parcouru la boucle de bobinage du capteur F, revient au filtre dans le mode polarisé x. En raison du couplage entre les modes du bobinage du capteur F et du séparateur BS2, les faisceaux se déplaçant dans le sens antihoraire et ceux se déplaçant dans le sens horaire possèdent deux composants dont l'un a effectué son premier passage du filtre de mode en polarisation x et l'autre en polarisation y. On a donc au total (en négligeant les ré- flexions et la rétrodiffusion) quatre composantes du faisceau qui re- viennent au filtre de mode BS2 en polarisation x. Ces quatre compo- santes sont les suivantes: Mode pendant le Sens de propagation no de faisceau premier passage à travers le filtre de mode x sens horaire 1 x sens antihoraire 2 y sens horaire 3 y sens antihoraire 4 On considérera maintenant les résultats obtenus en combinant ces composantes. L'interférence des faisceaux 1 et 2 donne la sortie de gyroscope souhaitée et, par réciprocité, elle est exempte de pola- risation. Les interférences des faisceaux 2 et 3, et 1 et 4 forment ensemble la contribution de "premier ordre" identifiée par R.I. Fre- dricks et R. Ulrich dans leur article "Phase error bounds of fibrer gyro with imperfect polariser/depolariser", Electronics Letters 20 (8), 12 avril 1984, pages 330 à 332. Cependant, les faisceaux 1 et 2 sont retardés par rapport aux faisceaux 3 et 4 d'une valeur Tx - Ty et les termes d'interférence sont donc réduits de Y(Tx -,y), o Y est la fonction de cohérence de la source. Les faisceaux 3 et 4 sont une paire non réciproque et ne sont pas "dé-cohérés" mais, comme ils - 6 - 2586293 ont tous deux été atténués par le filtre de mode, leur contribution à la polarisation de biréfringence est de second ordre dans le rapport d'extinction d'amplitude. On peut tirer des conclusions analogues pour les faisceaux qui reviennent en polarisation y, sauf qu'ils ont tous été atténués au moins une fois par le filtre de mode et qu'ils fournissent à la polarisation de biréfringence des contributions de second ordre ou inférieures. Par conséquent, toutes les contributions à la polarisa- tion de biréfringence sont soit au moins de second ordre dans l'ex- tinction du filtre de mode, soit supprimées par la fonction de cohé- rence. On a donc pu montrer que l'explication simplifiée ci-dessus est confirmée par une analyse mathématique classique pour laquelle les modes propres du filtre et de l'élément biréfringent ne sont pas supposés identiques. La présente invention peut être appliquée à des dispositifs à effet Sagnac autres qu'un gyroscope à fibre optique. - f- 2586293 REVENDICATIONS 1. Dispositif à effet Sagnac, tel qu'un gyroscope à fibre optique, comprenant un guide d'ondes optiques détecteur, une source pour émettre des signaux en direction du guide d'ondes optiques dé- tecteur, un détecteur conçu pour détecter les signaux provenant du guide d'ondes détecteur de manière h être soumis à l'effet Sagnac, un filtre monomode conçu pour transporter les signaux émis et reçus, et un élément de dispersion conçu pour réduire les signaux parasites provoqués par les interférences entre les signaux émis et reçus. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément dispersif est biréfringent et la dispersion de pola- risation est égale ou supérieure à la longueur de cohérence de la source. 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément dispersif est situé entre le filtre de mode et le guide d'ondes optiques détecteur. 4. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé eri ce que l'élément dispersif est situé entre, d'une part, le filtre de mode et, d'autre part, la source et le détecteur. 5. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que le filtre de mode est conçu pour tenir lieu d'élément disper- sif et en ce qu'il contient l'élément dispersif. 6. Gyroscope conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément dispersif comprend un guide d'ondes monomode biréfringent.