Brevet FR2643730A1 — publié le 19900831

DISPOSITIF OPTO-ELECTRONIQUE A CQDAGE SPECTRAL DE LA LUMIERE, ET SES APPLICATIONS L'invention concerne un dispositif opto-électronique à codage spectral de la lumière et ses applications notamment à la mesure d'une grandeur physique, qui peut être un déplacement, une température, un champ magnétique, etc..., à un système de télécommunications, et à la constitution d'un réseau de capteurs. On -connaît déjà, par le Brevet FR 2 595 820 de la déposante, un dispositif de mesure d'une grandeur physique dans lequel un capteur interférométrique, éclairé par une source de lumière incohérente, comprend un élément biréfringent sensible à la grandeur à mesurer, et est associé à des moyens d'analyse spectrale de la lumière qu'il transmet, comprenant un interféromètre à élément biréfringent, pour réaliser par voie optique une transformée de Fourier du signal transmis par le capteur. Ce capteur réalise une modulation périodique du spectre de la lumière fournie par la source lumineuse, la période étant fonction de la différence de marche optique dans le capteur, qui est elle-même variable en fonction de la grandeur à mesurer.La transformée de Fourier du signal délivré par le capteur permet d'obtenir une réponse centrée sur la différence de marche dans le capteur. On peut donc, par une mesure de fréquence, déterminer la valeur de la grandeur physique étudiée. La présente invention a notamment pour objet un dispositif de ce type général, qui soit plus simple que le dispositif du brevet antérieur précité et qui puisse fonctionner aussi bien en continu qu'en basse et haute fréquence. Elle propose pour cela un dispositif opto-électronique à codage spectral de la lumière, comprenant une source lumineuse reliée à un capteur interférométrique, des moyens de modulation périodique de la lumière émise par-la source et passant par le capteur, et des moyens photo-dé tecteurs recevant la lumière transmise par le capteur, caractérisé en ce que la source lumineuse est une diode superluminescente qui fonctionne au voisinage du seuil d'émission stimulée et qui constitue également les moyens précités de modulation de la lumière, la longueur de cohérence de cette source étant inférieure à la différence de marche dans le capteur interférométrique. Le dispositif selon l'invention comprend donc un seul interféromètre, et non deux, comme dans la technique antérieure. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la diode superluminescente est alimentée par un circuit délivrant un courant d'injection fonction du courant de sortie des moyens photodétecteurs précités, et commandé de façon à maintenir en un même point de fonctionnement, le signal de sortie de ces moyens photodétecteurs. Le fonctionnement de la diode superluminescente est ainsi asservi au signal de sortie des photodétecteurs par le courant d'injection dans la diode superluminescente. Comme le temps de réponse d'une telle diode est extrêmement court, la modulation du courant d'injection peut se faire à fréquence très élevée (par exemple de l'ordre du megaHertz) ce qui permet par exemple de détecter et de mesurer un déplacement vibratoire à ces fréquences. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la diode superluminescente est alimentée par un circuit délivrant un courant d'injection constant, et les moyens photodétecteurs précités sont reliés à des moyens de mesure de la phase du signal de sortie du capteur interférométrique. La diode superluminescente fonctionne alors en régime constant, et on mesure la grandeur physique étudiée par l'intermédiaire du déphasage provoqué par une variation de la différence de marche optique dans le capteur interférométrique. Cette mesure de phase peut être une mesure relative si on travaille sur une seule longueur d'onde, ou une mesure absolue si l'on utilise deux longueurs d'onde. Selon les cas, les moyens photodétecteurs peuvent être reliés au capteur interférométrique indépendamment de sa liaison à la source lumineuse, ou par l'intermédiaire de cette liaison, au moyen d'un coupleur en Y lorsque le capteur interférométrique peut fonctionner en réflexion. En variante, on peut utiliser comme moyen photodétecteur la photodiode qui est prévue en général à l'arrière du bottier d'une diode superluminescente. Enfin, le dispositif selon l'invention est utilisable soit avec une diode superluminescente fonctionnant donc en dessous du seuil laser, soit avec une diode laser. L'invention concerne également un r-éseau de capteurs interférométriques, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de diodes superluminescentes ou laser raccordées par des fibres optiques et un coupleur n x n à des capteurs interférométriques accordés chacun sur une diode précitée, chaque diode ayant une longueur de cavité telle que le chemin optique aller et retour dans la cavité diffère de quelques longueurs de cohérence de ceux des autres diodes, les capteurs précités étant associés à des moyens photodétecteurs respectifs Un tel réseau peut constituer avantageusement un réseau de télécommunication, dans lequel chaque diode est associée à des moyens de modulation d'information (par modulation de son courant d'injection), et chaque capteur est raccordé, par ces moyens photodétecteurs associés, à des moyens de démodulation de l'information. Dans la description qui suit, on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 représente schématiquement un dispositif selon l'invention, dans un premier mode de réalisation, la figure 2 est un graphe représentant schématiquement la puissance optique d'une diode superluminescente en fonction du courant d'injection, la figure 3 est un graphe représentant le spectre d'émission d'une diode superluminescente, en fonction de la longueur d'onde, la figure 4 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention, la figure 5 représente schématiquement des moyens de mesure de phase, les figures 6 et 7 représentent deux variantes de réalisation du dispositif, la figure 8 représente un réseau de dispositifs selon l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 représentant un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, pour la mesure d'une grandeur physique. Ce dispositif comprend essentiellement une diode superluminescente 10 qui emet un flux lumineux transmis parune fibre optique 12 à un capteur interférométrique désigné généralement par la référence 14 et qui est sen sigle à la grandeur physique à mesurer. Dans l'exemple représenté, ce capteur est un interféromètre de Michelson et comprend essentiellement une optique d'entrée 16 associée à l'extrémité de la fibre optique 12 pour transformer le flux lumineux qu'elle transmet en un faisceau de rayons parallèles venant frapper un miroir semi-transparent 18 disposé de façon classique entre deux miroirs 20 perpendiculaires. Une optique de sortie 22 focalise le faisceau lumineux transmis par l'interféromètre sur une extrémité d'une fibre optique 24 menant à des moyens photodétecteurs 26. La sortie de ces moyens photodétecteurs 26 est reliée par un conducteur 28 à une entrée d'un circuit 30 de commande du courant d'injection dans la diode superluminescente 10. Cette diode superluminescente 10 est une source lumineuse à semi-conducteur, ayant une largeur spectrale relativement importante et une longueur de cohérence faible, qui fonctionne en régime d'émission lumineuse spontanée amplifiée. On a représenté en figure 2 la courbe de variation de la puissance optique de sortie d'une telle diode superluminescente en fonction de la valeur du courant d'injection. Cette courbe comprend une première partie A, qui correspond à un régime d'émission lumineuse spontanée, une seconde partie B qui correspond à une émission lumineuse spontanée amplifiée, et une partie C correspondant à un régime d'émission laser qui commence lorsque le courant d'injection dans la diode est supérieur à une valeur de seuil i.. Le régime d'émission lumineuse spontanée amplifiée est obtenu pour des valeurs du courant d'injection qui sont voisines de cette valeur de seuil, mais qui restent inférieures à celle-ci. Une telle diode superluminescente a également pour caractéristique de réaliser une modulation périodique de sa fréquence d'émission, à cause de l'oscillation Fabry Pérot dans sa cavité, comme on l'a représenté schématiquement en figure 3. La courbe de cette figure correspond à la variation de l'intensité du flux lumineux émis en fonction de la longueur d'onde, et 1 f on voit que ce flux est partiellement modulé, avec un coefficient de modulation qui est donné par le rapport a/b. La diode superluminescente 10 utilisée dans le dispositif selon l'invention peut être par exemple une diode commercialisée par la société GENERAL OPTRONICS CORP. sous la dénomination DIP 3000 S, ayant les caractéristique suivantes - longueur d'onde : 800-850 nm - largeur spectrale : 10-25 nm - puissance de sortie : 3 mW - longueur de cohérence : 50 zm - coefficient de modulation spectrale : 25-50 % - courant d'injection : 140 mA - tension d'injection : 2 V. Le dispositif de la figure 1 fonctionne de lå façon suivante la diode superluminescente 10 constitue à la fois une source lumineuse et un moyen de modulation périodique de la fréquence de la lumière émise. Cette lumière est transmise par la fibre optique 12 au capteur interférométrique 14 sensible à la grandeur mesurée. Le signal de sortie de ce capteur est appliqué par la fibre optique 24 aux moyens photodétecteurs 26 qui peuvent être une simple photodiode et qui permettent de mesurer l'intensité de ce signal, donnée par la formule suivante où : G(k) désigne la densité spectrale de la diode 10, où : k est l'encombrement spectral de la diode, où : Lc est la différence de marche dans le capteur 14 où k = 22r/r est es le module du vecteur d'onde. La-modulation spectrale de la diode étant due à une oscillation Fabry-Pérot, on obtient en sortie du capteur, lorsque la longueur de cohérence de la source est inférieure à la différence de marche du capteur, des interférences lorsque la différence de marche dans le capteur 14 obéit à la condition suivante Lc = gp.n.Ld ou : p est un nombre entier (ordre d'oscillation dans la diode) où : n est l'indice effectif de groupe de la diode 10 où : Ld est la longueur de la cavité de la diode 10. On peut donc obtenir des interférences en sortie.du capteur 14, sur les moyens photodétecteurs 26, en accordant la différence de marche du capteur interférométrique sur un multiple du double de la longueur optique de la cavité de la diode superluminescente 10. Il en résulte que l'on peut, soit asservir le fonctionnement de la diode 10 au signal de sortie du capteur 14, soit mesurer dans ce signal le déphasage provoque par une variation de la différence de marche optique dans le capteur 14. En figure 1, c'est une solution du premier type qui a été représentée. Comme l'indice n dépend du courant d'injection, la longueur optique de la cavité nLd va varier en fonction du courant d'injection et le signal de sortie des moyens photodétecteurs 26 est donc utilisable pour commander le circuit 30 qui, par une boucle de contre-rEac- tion, commande le courant d'injection dans la diode 10, de façon à conserver le même point de fonctionnement sur le signal d'interférence (l'asservissement en quadrature apportant alors la sensibilité maximale}. De cette façon, les variations du courant d'injection dans la diode 10 correspondent aux variations de la différence de marche optique dans le capteur 14, et donc aux variations de la grandeur physique à mesurer. Un tel circuit est utilisable en basse et en haute fréquence, le courant d'injection dans la diode pouvant être modulé à des fréquences de l'ordre de la centaine de megaHertz, la limite supérieure étant fixée par la vitesse de la boucle d'asservissement. De préférence, on prévoit que la diode superlu minescente 10 est associée à des moyens de stabilisation en température, avec une précision de 1'ordre de 0,1 C, pour éviter toute influence des variations de température sur les mesures réalisées. On a représenté en figure 4 un deuxième mode de réalisation de l'invention, qui correspond à la deuxième solution évoquée plus haut. Le montage est équivalent à celui de la figure 1, mais les moyens photodétecteurs 26 sont reliés à un circuit 32 de mesure de phase. Le circuit 30 d'alimentation de la diode superluminescente 10 fournit un courant d'injection constant et on mesure la phase du signal de sortie du capteur 14, pour en déduire les valeurs de-la grandeur physique étudiée. Cette mesure de phase peut être réalisée par exemple au moyen du montage de la figure 5. Dans ce montage, le capteur interférométrique, du type de celui de la figure 4, reçoit de la fibre optique 12 un flux lumineux ensuite polarisé grâce à un polariseur 34 placé derrière la lentille 16. Ce flux est partagé en deux par la lame séparatrice 18 du capteur. et une lame /8 36 est placée sur l'un des bras de l'interféromètre, avec ses axes neutres à 45 de la polarisation de l'onde optique. On réalise ainsi un déphasage de x/2 entre les polarisations suivant les deux axes neutres de la lame 36. Un cube séparateur de polarisation 38 (ou un prisme de Wollaston) placé en sortie de l'interféromètre permet de séparer ces polarisations. On obtient alors en sortie un signal proportionnel ss (1 + cos ç ) d'une part, et à (1 - sin) d'autre part, étant le déphasage dû à la différence entre 2pnLd et Lc lorsque l'ordre p a été choisi. Une lame séparatrice 40, placée entre le polariseur 34 et l'interféromètre et associée à un autre cube séparateur de polarisation 42, permet d'obtenir de la même façon des signaux proportionnels à (1 - cos ) et (1 + sin). Un procédé classique, schématisé ci-dessous, permet d'obtenir y, tout d'abord par différentiation i (cos t = - Lusin Le S(sin t t? cos Puis, en multipliant par sin ? et cos'frespec- tivement et en faisant la différence, on obtient sin2 Le + cos2 te , soit Une intégration permet d'obtenir #. Il est également possible de calculer t à partir de sin Y et cos On a représenté schématiquement en figure 6, une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, dans laquelle le signal de sortie de l'interféromètre 14 est réinjecté dans la fibre optique 12. Les moyens photodétecteurs 26 sont- alors reliés à la fibre 12 par un coupleur en Y 44 et une fibre optique 46. Un circuit 32 de mesure de phase peut être connecté à la sortie des moyens photodétecteurs 26. Dans la variante de réalisation de la figure 7, la diode superluminescente 10 est reliée par la fibre optique 12 au capteur interférométrique 14 dont le signal de sortie est réinjecté dans la fibre 12, et parvient à travers la diode superluminescente 10 jusqu'à une photodiode arrière 48 qui est en général prévue dans le boîtier d'une diode superluminescente et qui joue le rôle des moyens pho-todétecteurs. En accordant convenablement le capteur interférométrique 14 et la diode superluminescente 10, on obtient un signal d'interférenc-e sur la photodiode arrière 48. La sortie de cette photodiode peut donc être reliée à un circuit de commande du courant d'injection dans la diode superluminescente 10 (asservissement de la diode 10 au- si- gnal de sortie .du capteur). Le dispositif selon l'invention peut également être utilisé avec une diode laser à la place de la diode superluminescente 10, c'est-à-dire avec une diode fonctionnant en régime d'émission lumineuse stimulée, lorsque cette diode laser a une faible longueur de cohérence, inférieure au double de la longueur optique de sa cavité. On a représenté en figure 8 un réseau de n capteurs, à configuration en étoile par exemple (tous les autres types de configuration étant possibles, tels par exemple que des montages en réflexion; en linéaire, etc...) Ce réseau comprend n diodes émettrices 101, 102 lOi,... lOn reliées à n capteurs 141, 142,.... 14i,.. .14n par des fibres optiques 121, 122,... ,î2n et un coupleur 50 du type n x n. Chaque diode précitée (superluminescente ou laser) a une longueur de cavité telle que le chemin optique aller et retour dans la cavité diffère de quelques longueurs de cohérence, de celui de chacune des autres diodes. Lorsque chaque capteur 14i a une différence de marche réglée sur l'une des diodes, le réseau est réalisé. Dans l'exemple représenté, chaque diode est as souciée à un circuit 30i de commande de courant d'injection, et chaque capteur 14i est associé par des moyens photodétecteurs 26i à un circuit 32i de mesure de phase. Il est également possible d'asservir la diode 10i au signal de sortie du photodétecteur du capteur accordé sur elle (comme dans le mode de réalisation de la figure 1), ou bien d'utiliser des capteurs fonctionnant en réflexion (comme dans les modes de réalisation des figures 6 et 7). Le réseau de la figure 8 peut former un réseau de télécommunication, lorsque les circuits 30i sont des systèmes de modulation, et les circuits 32i des systèmes de démodulation. Chaque diode 10i représente alors un canal d'information, et chaque capteur (ou récepteur) 14i peut être réglé sur le canal j désiré, quand sa différence de marche est rendue égale à un multiple du double de la longueur optique de la diode 10 j. Ainsi, chaque récepteur 14i peut recevoir l'un quelconque des canaux j. Les émetteurs et les récepteurs peuvent également être en nombres différents. L'information est transcrite par modulation du courant d'injection de la diode émettrice IOj, et est détectée par le circuit 32 i de mesure de phase, la modulation pouvant être analogique ou numérique. Les fibres optiques de transmission sont monomodes ou multimodes. Les diodes émettrices sont soit des diodes superluminescentes, soit des diodes laser. Une diode laser peut être utilisée dès qu'elle a plus de deux modes longitudinaux, car sa longueur de cohérence est alors inférieure au double de la longueur optique de sa cavité. REVENDICATIONS 1) Dispositif opto-électronique de détection à codage spectral de la lumière, comprenant une source lumineuse (10) reliée à un capteur interférométrique (14), des moyens de modulation périodique de la fréquence de la lumière émise par la source et passant par le capteur, et des moyens photodétecteurs (26) recevant la lumière transmise par le capteur, caractérisé en ce que la source lumineuse est une diode superluminescente (10) qui fonctionne au voisinage du seuil d'émission stimulée et qui constitue également les moyens précités de modulation de la lumière, la longueur de cohérence de cette source étant inférieure à la différence de marche Lc dans le capteur interférométrique (14). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur interférométrique (14) est accordé sur la diode superluminescente (10), la différence de marche Lc dans ce capteur étant sensiblement égale à un multiple du double ae la longueur optique nLd de la cavité de la diode superluminescente (10). 3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la diode superluminescente (10) est alimentée par un circuit (30) délivrant un courant d'injection fonction du courant de sortie des moyens photodétecteurs (26) précités et commandé de façon à maintenir en un même point de fonctionnement le signal de sortie de ces moyens photodétecteurs. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure du courant d'injection dans la diode superluminescente (10). 5) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la diode superluminescente (10) est alimentée par un circuit (30) délivrant un courant d'injection constant, et en ce que les moyens photodétecteurs (26) précités sont reliés à des moyens (36) de mesure de la phase du signal de sortie du capteur interférométrique (14). 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de mesure de phase sont intégrés au capteur interférométrique (14) et comprennent par exemple, pour un capteur du type Michelson, un polariseur (34) à l'entrée du capteur, une lame 2 /8 (36) dans l'un des bras de l'interféromètre, et des éléments séparateurs de polarisation (38,42) placés en sortie de l'interféromè re pour obtenir des signaux du type (1 + cos ), (1 - cos ), (1 + sin) (1 - sin ), traités ensuite par des moyens de dérivation, de multiplication, d'addition et d'intégration pour obtenir la phase, ou bien des moyens de calcul direct de la phase à partir de sin C et cos 7) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens photodétecteurs (26) sont reliés à la sortie du capteur (14) par une liaison (24) indépendante de la liaison (12) entre la diode superluminescente (10) et le capteur (14). 8) Dispositif selon- l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le capteur (14) étant du type fonctionnant en réflexion, les moyens photodétecteurs (26) sont reliés par un coupleur en Y (32) à une fibre optique (12) reliant la diode superluminescente (10) au capteur (14). 9) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens photodétecteurs sont constitués par la photodiode arrière (38) prévue habituellement dans le boîtier d'une diode superluminescente (10). 10) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la diode superluminescente (10) fonctionne en régime d'émission spontanée amplifiée. 11).Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la diode superluminescente est remplacé par une diode laser, à faible longueur de cohérence, fonctionnant en régime d'émission stimulée. 12) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en .ce qu'il comprend des moyens de stabilisation de la température de la diode superluminescente (10). 13) Application du dispositif selon l'une des revendications précédentes à la constitution d'un réseau de capteurs interférométriques, caractérisée en ce que ce réseau comprend une pluralité de diodes superluminescentes ou laser (lOi, 102,.. .,îOn) raccordées par des fibres optiques et un coupleur (50) (n x n) à des capteurs interférométriques (141, 142,... 14n) accordés chacun sur une diode précitée, chaque diode ayant une longueur de cavité telle que le chemin optique aller et retour dans cette cavité diffère de quelques longueurs de cohérence de ceux des autres diodes, les capteurs précités étant associés à des moyens photodétecteurs respectifs (261, 262,... 26n). 14) Réseau selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il constitue un réseau de télécommunication, chaque diode (10i) étant associée à des moyens (30i) de modulation d'information,- par modulation du courant d'injection dans la diode, et chaque capteur (14i) étant raccordé, par -ses moyens photodétecteurs (26i), à des moyens de démodulation (32i)