Brevet FR2585822A1 — publié le 19870206

La présente invention concerne les gyroscopes à laser et plus précisément un gyroscope à laser mettant en oeuvre la technologie des couches minces et dans lequel les faisceaux circulant dans un sens et dans l'autre ne coexistent pas dans le résonateur. Les gyroscopes à laser ont un fonctionnement dans lequel des faisceaux lumineux se propagent dans un sens et dans l'autre dans un résonateur. Lorsque le résonateur possède une vitesse angulaire dans son plan, la longueur apparente du trajet de l'un des faisceaux est supérieure à celle du faisceau se propageant en sens inverse. En consé- quences les conditions de résonance des deux faisceaux ne sont plus les mêmes. Une polarisation peut être utilisée afin qu'elle remette les deux faisceaux à la résonance et qu'elle compense la variation apparente de longueur de trajectoire entre les deux sens. Lorsque les faisceaux se déplaçant dans les deux sens existent simultanément dans le résonateur, divers effets nuisibles d'interactionspeuvent apparaître, par exemple sous forme de battements, d'une rétrodiffusion ou d'un renvoi dans le laser. Ces interactions réduisent les performances d'un tel gyroscope à laser. L'invention concerne donc un gyroscope à laser de type passif à résonateur annulaire qui élimine pratique- ment les effets des interactions tels que les battements, la rétrodiffusion et le renvoi dans le laser. Elle concerne aussi un gyroscope à laser mettant en oeuvre la technologie des couches minces et destiné à la formation d'un gyroscope qui est très peu encombrant, très fiable et de fabrication très simple. Plus précisément, l'invention concerne un gyroscope à laser comprenant un laser à semi-conducteur et un résona- teur annulaire passif à couches minces. Un guide d'onde sous forme d'une boucle de distribution en couches minces est couplé par ondes évanescentes au résonateur afin qu'il transmette la lumière du laser au résonateur. Un commutateur électro-optique ayant aussi une construction à couches minces injecte alternativement un faisceau lumineux du laser dans un sens et dans l'autre dans la boucle de dis- tribution. Un modulateur électro-optique ayant aussi une construction en couches minces est destiné à moduler la phase de la lumière provenant du laser afin que les fais- ceaux tournant dans un.sens et dans l'autre soient maintenus indépendamment à la résonance. Dans un premier mode de réalisation, le modulateur électro-optique est plâcé entre le laser et le commutateur électro-optique. Dans un autre mode de réalisation, le modulateur électro-optique est placé dans le résonateur annulaire passif lui-même. Dans ces modes de réalisation, le modulateur électro-optique comprend un guide d'onde à canal placé sur un matériau électriquement actif et encadré par des électrodes de modulation de la phase de la lumière provenant du laser. Le commutateur électro- optique comprend aussi un guide d'onde à canal placé sur un matériau électri- quement actif et encadré par des électrodes destinées à assurer la commutation de la lumière provenant du laser afin que des faisceaux allant dans un sens et dans l'autre soient injectés alternativement dans la boucle de distribu- tion. Le matériau électriquement actif préféré est LiNbO3 ayant subi une diffusion de titane. Le laser à semi-conducteur préféré est à arséniure de gallium et d'aluminium. Le résona- teur annulaire passif est de préférence un guide d'onde électro-optique à faible perte, formé d'oxyde de zinc et monté sur un substrat constitué de verre, de silicium oxydé thermiquement ou de quartz. On peut aussi utiliser du "Plexi- glas" dopé sur un substrat de quartz. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une schéma d'un gyroscope à laser dans lequel le modulateur électro-optique est placé entre le laser et le commutateur électro-optique; la figure 2 est un graphique représentant les divers états du modulateur électro-optique et du commutateur électro-optique ainsi que des détecteurs, de haut en bas; la figure 3 est un schéma d'un gyroscope à laser dans lequel le modulateur électro-optique est incorporé au résonateur lui-même; la figure 4 est un graphique représentant les états du modulateur électro-optique, du commutateur électro- optique et des détecteurs, dans le cas du mode de réalisa- tion de la figure 3 et de haut en bas; la figure 5 est une perspective d'un gyroscope à laser à couches minces selon l'invention; et la figure 6 est un schéma d'un autre mode de réali- sation de gyroscope selon l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un gyroscope à laser 10 ayant un laser 12 à semi-conducteur d'arséniure de gallium et d'aluminium qui crée une lumière monochromatique. La lumière du laser 12 passe dans un modu- lateur électro-optique 14 à couches minces qui assure un décalage de la fréquence du faisceau lumineux par modifica- tion linéaire de la phase avec le temps. Le faisceau lumineux modulé passe alors dans un commutateur électro-optique 16 à couches minces. Ce commutateur 16 dirige le faisceau alternativement dans une branche supérieure 18 et dans une branche inférieure 20 d'une boucle de distribution 22. Cette boucle 22 est placée à proximité d'un résonateur annulaire passif 24 afin que la boucle 22 de distribution et le résonateur annulaire passif 24 soient couplés par ondes évanescentes. Une boucle 26 de sortie est aussi couplée par ondes évanescentes au résonateur annulaire passif 24. La boucle 26 de sortie est connectée à des détecteurs (non représentés) sensibles aux fréquences des faisceaux dans un sens et dans l'autre. Lorsque le gyroscope 10 a une certaine vitesse angulaire, la longueur des trajets dans le résonateur 24 parait plus longue pour l'un des faisceaux que pour l'autre. Le maintien à la résonance des deux fais- ceaux indépendamment nécessite le décalage des fréquences des faisceaux se propageant dans les deux sens d'une même valeur mais en sens opposés afin que la condition de résonance soit conservée. Le décalage de fréquence nécessaire au maintien de la résonance est proportionnel à la vitesse de rotation. La figure 2 représente les formes d'onde du dépha- sage nécessaires au maintien de la condition de résonance. La courbe supérieure de la figure 2 représente le signal de tension applique au modulateur électro-optique 14. Il faut noter que ce modulateur 14 est synchronisé sur le commutateur électro-optique 16 afin que les faisceaux se propageant dans les deux sens ne coexistent pas simultané- ment dans le résonateur 24. En particulier, au temps t = 0, le faisceau se propageant dans un premier sens est injecté dans le résonateur 24 et le modulateur 14 assure un décalage de fréquence égal à +Af. Af est le décalagede fréquence nécessaire au maintien de la résonance. Au temps t = T, l'autre faisceau est injecté dans le résonateur et simulta- nément le modulateur déplace la fréquence comme indiqué sur la figure 2 de -Af. Après un autre intervalle de temps, le premier faisceau est injecté et le modulateur 14 est commuté convenablement. Cette alternance se poursuit de façon répétée. Comme indiqué dans la partie inférieure de la figure 2, les détecteurs de fréquence (non représen- tés) sont maintenus en fonctionnement sauf pendant les courts intervalles entourant le temps de commutation afin que les parasites de commutation soient évités. Lors du fonctionnement, lorsque le gyroscope 10 à laser tourne, les détecteurs de fréquence (non représentés) reliés à la boucle de sortie 26 détectent les décalages de la fréquence par rapport à la résonance. Les décalages sont alors utilisés comme signaux d'entrée du modulateur 14 qui assure les décalages convenables de la fréquence afin que les deux faisceaux soient maintenus en résonance. Comme indiqué précédemment, le décalage de fréquence est proportionnel à la vitesse angulaire du gyroscope 10 qui est la quantité à détecter. Comme l'indique la figure 2, l'injection des faisceaux dans un sens et dans un autre alterne si bien que les deux faisceaux sont isolés l'un de l'autre dans le temps. Cet isolement temporel élimine les effets nuisibles d'interaction tels que les battements, la rétrodiffusion et le renvoi du faisceau dans le laser 12. La figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le modulateur électro-optique 14 est un modulateur de phase et est placé dans le guide d'onde 24 formant résonateur annulaire passif luimême et non entre le laser 12 et le commutateur 16 comme dans le cas du mode de réalisation de la figure 1. La figure 4 représente les diverses formes d'onde qui doivent être utilisées dans le mode de réalisation de la figure 3. Les deux faisceaux sont encore lancés en synchronisme avec le modulateur électro- optique et en alternance. Cependant, dans ce cas, les signaux de tension appliqués au modulateur 14 sont constants et ne varient pas linéairement au cours du temps comme sur la figure 2. Ainsi, le modulateur 14 modifie la longueur du trajet apparent du résonateur 24 afin qu'il maintienne la résonance. En outre, comme précédemment, les détecteurs de fréquence (non représentés) sont en circuit sauf pendant de courts intervalles qui entourent les moments de commutation afin que les parasites de commutation soient évités. Une réalisation physique du gyroscope à laser 10 tel que représenté sur la figure 1 est indiquée sur la figure 5. Le gyroscope 10 est formé sur un substrat 30 formé de préférence de quartz. Le laser à semi-conducteur à base d'arséniure de gallium et d'aluminium est couplé à un guide d'onde 32 à canal formé sur un matériau électri- quement actif tel que niobiate de lithium ayant subi une diffusion de titane. Deux électrodes 34 encadrent le guide d'onde 32. La phase dans le guide d'onde 32 est réglée par le champ électrique dans la région du guide d'onde, ce champ étant créé par variation des tensions entre les électrodes 34. Le guide d'onde 32 passe ensuite par un second jeu d'électrodes 36 ayant aussi des propriétés électro- optiques si bien que le faisceau peut être dirigé dans la branche supérieure 18 ou dans la branche inférieure (figure 1) de la boucle 22 de distribution en fonction de la tension existant entre les électrodes 36. La lumière qui se propage dans la boucle 22 de distribution est couplée par ondes évanescentes au résonateur annulaire passif 24. Ce dernier est de préférence formé de "Plexiglas" dope. Un autre mode de réalisation est représenté sur la figure 6. Un gyroscope 60 à laser comporte un substrat 62 de silice sur lequel sont montés d'autres constituants, par mise en oeuvre de la technologie des couches minces. Les divers guidesd'onde places sur le substrat 62 sont de préférence constitués d'un matériau électro-optique à faible perte, par exemple de l'oxyde de zinc. En particu- lier, un résonateur 64 est placé sur le substrat 62. Une boucle 66 de guidage d'onde de sortie est couplée par ondes évanescentes à la boucle 64 du résonateur. Une boucle 68 de distribution est aussi placée à l'intérieur de la boucle 64. Comme dans le mode de réalisation de la figure 5, un laser 70 transmet un faisceau lumineux dans un sens ou dans l'autre à la boucle 68 de distribution suivant l'état d'un commutateur 72. Un modulateur électro-optique 74 est placé dans la boucle de distribution. Dans une variante, le modulateur peut être placé dans la boucle 64 du résonateur lui-même. Comme la sensibilité d'un gyroscope à laser tel que celui qui porte la référence 60 sur la figure 6, augmente avec le périmètre de la boucle du résonateur, ce mode de réalisation permet l'utilisation d'un plus grand périmètre dans un volume relativement faible puisque les autres cons- tituants sont placés à l'intérieur de la boucle. Ainsi, l'invention concerne un gyroscope à laser permettant la détection des rotations et réalisé.par mise en oeuvre de la technologie des couches minces. Ce gyroscope est très peu encombrant et sa fabrication est simple. En outre, grâce à un commutateur électro-optique, les deux faisceaux tournant en sens inverses sont introduits dans le résonateur en alternance et les faisceaux ne coexistent jamais. Cet isolement temporel des faisceaux élimine ainsi les effets nuisibles d'interactions connus dans les gyroscopes classiques à laser. La construction en couches minces donne aussi une grande fiabilité. REVENDICATIONS 1. Gyroscope à laser à couches minces, caractérisé en ce qu'il comprend: un laser (12) à semi-conducteur, un résonateur annulaire passif (24) à couches minces, un guide d'onde (22) formant une boucle de distri- bution à couches minces, couplé par ondes évanescentes au résonateur et destiné à transmettre la lumière du laser au résonateur, un commutateur électro-optique (16) à couches minces destiné à injecter en alternance un faisceau lumineux dans un sens et dans l'autre du laser à la boucle de distribution, et un modulateur électro-optique (14) à couches minces destiné-à moduler le phase de la lumière du laser afin que les faisceaux se propageant dans un sens et dans l'autre soient maintenus indépendamment à la résonance. 2. Gyroscope selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur électro-optique (14) est placé dans le résonateur annulaire passif (24). 3. Gyroscope selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur électro-optique (14) est placé entre le laser (12) et le commutateur électro-optique (16). 4. Gyroscope selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur électro-optique (14) est un guide d'onde à canal d'un matériau électro-optique ayant des électrodes de modulation de la phase de la lumière du laser. 5. Gyroscope selon la revendication 1, caractérisé en ce que le commutateur électro-optique (72) est un guide d'onde à canal placé sur un matériau électriquement actif et entouré par des électrodes afin que la lumièredu laser soit commutée et injectée en alternance sous forme de fais- ceaux se propageant dans un sens et dans l'autre dans la boucle de distribution. 6. Gyroscope selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matière électriquement active est LiNbO3 ayant subi une diffusion de titane. 7. Gyroscope selon la revendication 5, caractérisé en ce que la matière électriquement active est LiNbO3 ayant subi une diffusion de titane. 8. Gyroscope selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser est formé de GaAlAs. 9. Gyroscope selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur annulaire passif est du "Plexiglas" dopé placé sur un substrat de quartz. 10. Gyroscope selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matière électro-optique est l'oxyde de zinc. 11. Gyroscope à laser à couches minces, caractérisé en ce qu'il comprend: un laser à semi-conducteur (12) à arséniure de gallium et d'aluminium, un résonateur annulaire passif (24) à couches minces, un guide d'onde (22) formant boucle de distribution en couches minces, couplé par ondes évanescentes au résona- teur et destiné à transmettre la lumière du laser au résona- teur, un commutateur électro-optique (16) à couches minces destiné à injecter en alternance un faisceau lumineux dans un sens et dans l'autre du laser à la boucle de distribution, le commutateur électro-optique comprenant un guide d'onde à canal placé sur un matériau électriquement actif et entouré par des électrodes destinées à commuter la lumière du laser, et un modulateur électro-optique (14) à couches minces destiné à moduler la phase de la lumière du laser afin qu'il maintienne les faisceaux se propageant en sens inverses à la résonance indépendamment, le modulateur électro-optique étant un guide d'onde à canal placé sur un matériau électri- quement actif et entouré par des électrodes et destiné à moduler la phase de la lumière du laser.