Brevet FR2593937A1 — publié le 19870807

La présente invention concerne des capteurs sensi- bles aux champs magnétiques et plus précisément un capteur à fibre optique très sensible à un champ magnétique appliqué. On sait que des capteurs de champ magnétique à fibre optique peuvent être fabriqués par gainage d'un tron- çon de fibre optique par un matériau présentant un effet de magnétostriction. Lorsque la totalité ou une partie d'une telle fibre gainée est exposée à un champ magnétique, orientée en direction sensiblement parallèle à l'axe longi- tudinal de la fibre, la gaine à magnétostriction change de longueur (par exemple s'allonge) et provoque ainsi un changement de longueur de la fibre optique (c'est-à-dire une augmentation). Lorsque l'intensité du. champ augmente, l'allongement augmente de manière correspondante. Cet allon- gement fait varier l'angle de phase de la lumière qui se propage le long de la fibre et plus précisément d'une partie tendue quelconque de la fibre. En conséquence, toute augmen- tation d'allongement augmente de manière correspondante la variation de l'angle de phase. En conséquence, la mesure des variations de l'angle de phase par exemple par une technique interférométrique dans laquelle un déphasage quelconque dans un bras "de détection" ayant une fibre optique sensible à un champ magnétique est comparé à celui qui existe dans un bras "de référence" à fibre optique, permet une détermination précise de l'intensité du champ magnétique, d'une manière facile et précise. Ce principe est décrit en détail dans les articles suivants: A. Yariv et col. , "Proposal for Detection of Magnetic Fields Through Magnetostrictive Perturbation of Optical Fibers", Optics Letters, vol. 5, n 3, mars 1980, pages 87-89; A. Dandridge et col., "Optical Fibre Magnetic Field Sensors, "Electronics Letters, vol. 16, n 11, 22 mai 1980, pages 408-409; G. Tangonan et col., "Current Sensing With Metal-Coated Multi-Mode Optical Fibers", Electronics Letters, vol. 16, n 25, 4 décembre 1980, pages 958959; H. Taylor et col., "Fiber Optic Sensors", Proceedings of the First European Conference on Integrated Optics 1981, pages 99-101; T. Giallorenzi et col., "Fiber Optic Sensors", Optics and Laser Technology, avril 1981, pages 73-78; F. 'ILrofbridge et col., "Metallic-Glass FiberOptic Phase Modulators", Optics Letters, vol. 6, n 12, décembre 1981, pages 636-638; et C. Davis, "An Introduction- to Fiberoptic Sensors", Fiberoptic Technology, février 1982, pages 112-115. Cependant, le capteur précité de champ magnétique à fibre optique possède des inconvénients importants. Plus précisément, lorsque le capteur doit avoir une sensibilité élevée, c'est-à-dire lorsqu'il doit permettre la détection d'un champ magnétique peu intense, la gaine à magnétostric- tion doit avoir une épaisseur minimale. Cet épaisseur ne peut malheureusement pas être obtenue facilement, sans utilisation de techniques très élaborées et coûteuses de dépôt du matériau à magnétostriction sur la fibre optique. En outre, la fibre doit subir un recuit très poussé à température élevée pendant sa fabrication afin que les grains du matériau à magnétostriction soient convenablement orientés dans la gaine et donnent les propriétés magnétiques générales voulues à la gaine à magnétostriction. L'invention concerne un capteur de champ magnétique à fibre optique qui ne nécessite pas une gaine épaisse. Elle concerne aussi une fibre optique ne nécessi- tant pas des techniques élaborées ou coûteuses pour la fabrication du capteur. Elle concerne aussi la fabrication d'un tel capteur ayant les propriétés magnétiques générales optimales voulues, sans recuit de la fibre gainée. Plus précisément, selon l'invention, le matériau à magnétostriction est placé dans l'âme d'une fibre optique et un guide d'onde optique, formé d'une âme annulaire et de couches interne et externe de verre, et revêtu sur l'âme à magnétostriction. En outre, dans un mode de réalisation avantageux, des signaux électriques ou de l'énergie peuvent être trans- mis dans l'âme à magnétostriction, alors que des signaux nécessitant une grande largeur de bande, par exemple des données, peuvent être transmis optiqueri:ent par l'âme annu- laire. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est un diagramme synoptique d'un appa- reil interférométrique destiné à détecter la présence d'un champ magnétique, mettant en oeuvre un capteur de champ magnétique à fibre optique selon l'invention; et la figure 2 est une coupe d'un mode de réalisation préféré de fibre optique sensible magnétiquement, selon l'invention, pouvant être utilisé dans l'appareil représenté sur la figure 1. Sur les figures, des références identiques désignent des éléments analogues. La figure 1 représente un appareil destiné à détec- ter la présence d'un champ magnétique et comprenant - un capteur de champ magnétique à fibre optique. Cet appareil met en oeuvre une technique interférométrique et utilise l'arrangement bien connu de Mac-Zehnder. Plus précisément, le laser 1 crée un faisceau cohérent de lumière 12 ayant une longueur d'onde X. Cette lumière n'est pas forcément comprise dans le spectre visible mais elle peut se trouver en dehors de celui-ci, par exemple dans L'infrarouge, le cas échéant. Le faisceau 12 vient frapper un répartiteur 2 de faisceau qui crée des faisceaux lumineux 13 et 14. Le faisceau 13 est transmis à un bras de référence et le faisceau 14 à un bras 30 de détection qui comporte lui-même une fibre optique 35 et des amplifi- cateurs optiques 4 et 8. Le bras de référence introduit un déphasage prédéterminé dans la lumière qui se propage dans ce bras. Au contraire, le bras de détection introduit un déphasage variable dans la lumière qui se propage à l'intérieur, et plus précisément, le déphasage varie propor- tionnellement à l'intensité du champ magnétique appliqué H qui a l'orientation indiquée par la flèche, c'est-à- dire en direction sensiblement parailéie à l'axe longitu- dinal de la fibre optique 35 qui fait partie du bras 30 de détection. En particulier, le déphasage introduit par le bras de référence est réglé initialement à une valeur qui correspond avec précision au déphasage introduit par le bras de détection lorsque celui-ci est dans son état norma], c'est-à-dire n'est pas exposé au champ magnétique détecté ou d'essai. Ceci permet une mise à zéro ou un équi- librage initial de la valeur de l'intensité du champ magné- tique indiquéepar l'appareil. Des faisceaux lumineux 16 et 18 formés par le bras de référence et le bras O30 de détection respectivement parviennent à un combinateur 7 qui les combine sous forme d'un faisceau résultant 17. Ce dernier parvient à l'entrée d'un photodetecteur 9 qui transforme le signal optique en un signal électrique. Ce dernier est lui-même traité dans un processeur et urn dispositif d'affichage qui détermi- ne d'abord le déphasage de la lumière provenant du combina- teur 7 puis le soustrait du déphasage prédéterminé introduit par le bras de référence 20 afin que le déphasage produit par le bras 30 de détection soit déterminé. Lorsque ce dernier déphasage a été déterminé, la valeur du champ magnétique qui correspond est affichée par le processeur et dispositif d'affichage 10. Le bras 20 de référence comprend par exemple un dispositif de type bien connu, par exemple un circuit déphaseur variable 23, qui peut être réglé afin qu'il donne un déphasage choisi préalablement au faisceau lumineux 13. Le signal lumineux donné par le déphaseur 23 est appli- qué à un amplificateur optique 24 qui amplifie lui-même la lumière puis la transmet à une première extrémité, c'est- à-dire l'extrémité d'entrée, d'un tronçon de longueur prédéterminée d'une fibre optique monomode 25. Cette fibre optique monomode, appelée "fibre de référence", introduit un déphasage fixe prédéterminé supplémentaire dans le faisceau lumineux qui se propage. Cette fibre de référence est réalisée de manière qu'elle ne soit pas sensible à u champ magnétique quelconque qui lui est appliqué. Le déphasage introduit par le circuit déphaseur variable 23 est réglé initialement de manière que le déphasage total (c'est-à-dire la somme des déphasages individuels) créé par le circuit déphaseur variable 23 et la fibre 25 de référence soit égal avec précision au déphasage produit par le bras 30 de détection lorsque celui- ci est dans son état normal. La lumière apparaissant à l'autre extrémité, c'està-dire l'extrémité de sortie de la fibre 25 de réfé- rence, parvient à un amplificateur optique 26 qui amplifie cette lumière. Le signal de sortie de cet amplificateur, c'est-à-dire le faisceau lumineux 16, parvient comme signal optique d'entrée au combinateur 7. Le bras 30 de détection comporte une fibre optique monomode 35 contenant un matériau à magnétostriction. Cette fibte est sensible à un champ magnétique quelconque et en particulier à un champ orienté en direction sensiblement parallèle à l'axe longitudinal de cette fibre. Plus préci- sément,la longueur de la fibre change, par exemple s'allon= ge, proportionnellement à l'augmentation d'intensité du champ magnétique appliqué H. Cet allongement modifie la longueur du trajet optique et en conséquence change la phase, c'est-à-dire module la phase de la lumière se propa- geant dans la fibre optique 35. Dans les systèmes connus, la fibre optique 35 est habituellement formée d'une âme ayant une gaine ou une couche de revêtement formée d'un matériau à magnétostriction entourant coaxialement l'âme. Malheureusement, des couches épaisses de revêtement ou de gainage sont nécessaires à l'obtention d'une fibre optique sensible magnétiquement pouvant détecter des champs magnétiques faibles. Les couches épaisses de gainage ne peuvent pas être malheureusement obtenues facilement sans utilisation de techniques très élaborées et coûteuses de dépôt pour la disposition du matériau à magnétostriction sur l'âme de la fibre optique. En outre, un recuit très long de la fibre composite résul- tante (ayant une gaine) a été nécessaire pour l'orientation convenable des grains du matériau à magnétostriction dans la couche formant la gaine afin que cette gaine possède les propriétés magnétiques globales voulues. La présente invention concerne un appareil à fibre optique sensible magnétiquement qui est avantageusement sensible à des champs magnétiques très faibles et qui ne nécessite pas de technique élaborée et coûteuse de dépôt ou de recuit pendant la fabrication. Un mode de réalisation avantageux à deux âmes d'une fibre optique sensible magnétiquement, selon l'invention, et qui peut être avantageusement utilisé dans l'appareil de la figure 1, est représenté sur la figure 2. Une âme centrale 52 est formée d'un matériau convenable à magnéto- striction, par exemple du fer, du cobalt, du nickel et divers alliages et composés les contenant. Ces matériaux à magnétostriction sont avantageusement disponibles facile- ment et sont peu coûteux, sous forme d'un fil de dimension convenable. Plusieurs couches de verre formant des gaines sont déposées concentriquement à l'âme centrale 52 afin qu'elles forment un guide d'onde optique comprenant une âme, annulaire 54 entourée par une gaine interne 53 de verre et une gaine externe 55 de verre. L'indice de réfraction de l'âme annulaire doit être supérieur à celui de chaque couche adjacente formant une gaine de manière que la lumière soit transmise dans l'âme annulaire. L'allongement de l'âme par un effet de magnétostriction non seulement introduit un déphasage variable dans la lumière se propageant dans le guide d'onde optique mais crée aussi avantageusement des microflexions dans les couches formant les gaines si bien que l'amplitude de la lumière est avantageusement réduite en présence d'un champ magnétique. Lorsque l'inten- sité du champ augmente, le nombre de microflexions augmente aussi. En conséquence, lorsque la fibre s'allonge en présence d'un champ magnétique, le déphasage résultant et la réduction d'amplitude augmentent avantageusement. L'un de ces deux effets ou les deux peuvent être utilisés pour la détection de l'intensité du champ magnétique. Bien que Le premier effet (déphasage) soit utilisé dans l'arran- gement bien connu de Mach-Zehnder représenté sur la figure 1, de nombreux arrangements bien connus peuvent être réali- sés pour la mise en oeuvre du second effet (perte d'ampli- tude induite par des microflexions). Le guide d'onde optique est d'abord fabriqué sous forme d'un guide d'onde creux préformé par la technique de dépôt chimique en phase vapeur dans un tube, décrite en détail dans le rapport "Air Force Final Report on Con- centric Core Fiber Development, Contact n F19628-80-C- " et au chapitre 8.4.4. de l'ouvrage "Modified Chemical Vapor Deposition" de S. Miller et al., Optical Fiber Telecommunications, (c. 1979: Academic Press, New-York. Dans une variante, le guide d'onde creux préformé peut être réalisé par dépôts successifs d'une série de couches destinées à former des gaines, par le procédé bien connu de dépôt de suie en phase vapeur à l'extérieur comme décrit par exemple au chapitre 8.4.2 de l'ouvrage "Flame Hydrolysis (Scot) Techniques" du même ouvrage de Miller et col. Ensuite, la préforme creuse est montée dans une tour convenable de filage (non représentée) et un fil à magnétostriction est alors introduit dans le trou de la préforme. Le fil et Je verre sont alors chauffés simultanément. Le fil se dilate donc en direction longitudinale et la préforme optique devient très plastique et s'affaisse complètement autour du fil à magnétostriction. En conséquence, un guide d'onde optique (âme annulaire et couches adjacentes formant des gaines) est formé concentriquement autour du fil à magnétostriction et a l'orientation coaxiale de celui- ci qui constitue une âme 52. Lorsque la fibre se refroidit à température ambiante, l'âme se contracte. Comme le matériau de l'âme est choisi avec un coefficient de dilatation ther- mique supérieur à celui des gaines, l'âme qui se contracte met en compression toutes les couches de verre formant les gaines. Ceci augmente avantageusement la caractéris- tique de résistance mécanique de la fibre, c'est-à-dire la contrainte que peut supporter la fibre avant de se rompre, par équilibrage des niveaux de contrainte auxquels sont soumis l'âme centrale et le guide d'onde optique. La com- pression obtenue dépend en partie du matériau particulier utilisé pour l'âme métallique. Lors de l'utilisation de cette technique, une liaison intime existe à l'interface métal-verre si bien qu'un degré suffisant de compression est transmis aux gaines de verre lors de la contraction de l'âme. Comme un fil à effet de magnétostriction est faci- lement disponible avec différentes dimensions comprises dans une large gamme, un tel matériau à magnétostriction peut être facilement obtenu avec un diamètre relativement grand. La sélection d'un fil de diamètre relativement grand permet la fabrication facile d'une fibre optique sensible magnétiquement qui donne un changement--important de longueur, par exemple d'allongement ou da contraction, dans la gaine de verre et qui donne donc un déphasage optique important en présence d'un champ magnétique très faible. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, l'âme métallique 52 peut être formée d'un fil de nickel qui a un coefficient négatif de magnétostriction (c'est- à-dire que le fil se contracte en présence d'un champ magnétique appliqué parallèlement à son axe), son diamètre étant d'environ 40 microns, l'âme annulaire 54 ayant une épaisseur d'environ 5 à 10 microns. La couche 53 de verre formant la gaine interne a une épaisseur d'environ 25 microns et la couche de verre 55 formant la gaine externe a aussi une épaisseur d'environ 25 microns. Comme indiqué précé- demment, les compositions des verres formant l'âme annulaire et les gaines interne et externe sont choisies de manière que l'indice de réfraction de l'âme annulaire soit supérieur à celui des gaines interne et externe. L'utilisation d'un indice de réfraction plus élevé pour l'âme annulaire que pour les gaines adjacentes assure la réflexion interne totale de la lumière frappant la limite entre l'âme annu- laire et une gaine, à partir de la limite respective, vers l'âme annulaire. En conséquence, la lumière se propage dans l'âme annulaire 54 avec une atténuation minimale. La différence d'indice entre l'âme annulaire et les gaines, ainsi que l'épaisseur de l'âme annulaire, peuvent être choisis de manière que seul le mode le plus bas se propage dans l'âme annulaire, la fibre étant alors de type monomode. Dans une variante, ces valeurs peuvent être choisies afin qu'elles permettent la propagation de plusieurs modes. Dans ce dernier cas, les variations d'amplitude (intensité) de la lumière parvenant sur le photodétecteur 9, plutôt que les variations de déphasage de cette lumière, sont contrôlées pour la détermination de l'intensité du champ magnétique. Une couche protectrice (non représentée) formée de compositions b:en connues dans la technique est appliquée concentriquement a la gaine externe 55 de verre, par utili - sation de techniques bien connues de revêtement de polymère. Cette couche protectrice assure une protection convenable de la fibre contre l'abrasion, les milieux caustiques et des effets externes nuisibles analogues. Evidemment, les hommes du métier peuvent noter que des signaux optiques et électriques peuvent être trans- mis simultanément dans la fibre optique à magnétostriction selon l'invention. Plus précisément, des signaux tels que des données qui nécessitent une grande largeur de bande, peuvent être transmis sous forme de signaux optiques qui se propagent dans l'âme annulaire. Des signaux d'intensité élevée et sur une faible largeur de bande, par exemple des signaux d'alimentation et/ou de conmande, peuvent être avantageusement transmis sous forme électrique par l'âme 52 à magnétostriction. En outre, l'âme centrale d'une fibre optique sen- sible magnétiquement, réalisée selon l'invention, n'a pas obligatoirement une section circulaire. La section de l'âme peut avoir toute forme fermée, par exemple carrée, rectan- gulaire, triangulaire ou ovale. Une telle fibre optique de section rectangulaire de dimensions convenables (largeur supérieure à la hauteur par exemple) peut être particu- lièrement utile dans des applications qui ne permettent pas le logement d'une fibre optique de dianètre relativement grand. REVENDICATIONS 1. Fibre optique sensible magnétiquement, caracté- risée en ce qu'elle comprend une âme centrale (52) formée d'un matériau à magné- tostriction, et plusieurs couches séparées de verre (53-55) de revêtement, entourant concentriquement l'âme centrale et qui forment un guide d'onde optique transparent à la lumière ayant une âme annulaire (54) entourée par des gaines séparées interne et externe (53-55), l'indice de réfraction de i'âme annulaire étant supérieur à celui des gaines interne et externe. 2. Fibre selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'âme centrale (52) est formée d'un alliage con- tenant au moins un élément choisi dans le groupe comprenant Je fer, le nickel et le cobalt. 3. Fibre selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'alliage est formé essentiellement d'un élément choisi dans le groupe qui comprend le fer, le nickel et le cobalt. 4. Fibre selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'âme centrale (52) a une section sensiblement circulaire. 5. Fibre selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'âme centrale (52) est choisie de manière que son coefficient de dilatation thermique soit supérieur à celui des couches de verre du guide d'onde. 6. Fibre selon la revendication 5, caractérisée eni ce que les couches de verre (53-55) entourant l'âme centrale sont à un état normal de compression à température ambiante. 7. Fibre selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'âme centrale (52) est essentiellement formée d'un alliage contenant au moins un élément choisi dans le groupe qui comprend le fer, le nickel et le cobalt. 8. Fibre selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'âme centrale (52) a une section sensiblement circulaire.