Brevet FR2635879A1 — publié le 19900302

L'invention concerne d'une manière générale des dispositifs et des techniques pour moduler la fréquence d'un faisceau lumineux. L'invention concerne en particulier la modulation de fréquence de la lumière par l'interaction d'ondes acoustiques avec la lumière. L'invention concerne de façon plus particulière encore la modulation de la lumière dans un capteur de rotation à effet Sagnac. Un interféromètre à anneau optique en fibre comprend habituellement une boucle de matière pour fibre optique qui guide des ondes lumineuses se propageant en sens contraires. Après avoir parcouru la boucle, les ondes se propageant en sens contraires sont combinées afin d'interférer pour former un signal optique de sortie. L'intensité optique du signal de sortie varie en fonction. de l'interférence, laquelle dépend de la phase relative des ondes se propageant en sens contraires. Des interféromètres à anneau de fibre optique se sont avérés particulièrement utiles pour la détection d'une rotation. Une rotation de la boucle engendre une différence de phase relative entre les ondes se propageant en sens contraires, conformément à l'effet bien connu de Sagnac. L'amplitude de la différence de phase est une fonction de la vitesse angulaire de la boucle. L'intensité du signal optique de sortie produit par l'interférence des ondes se propageant en sens contraires varie en fonction de la vitesse de rotation de la boucle. La détection d'une rotation s'effectue par détection du signal optique de sortie et traitement de ce signal afin de déterminer la vitesse de rotation. Un capteur de rotation à boucle fermée en fibre optique peut comprendre un élément de décalage de fréquence à proximité du point o chacune des ondes se propageant en sens contraires est introduite dans la bobine sensible afin d'annuler la différence de phase induite par rotation, entre elles. L'amplitude à laquelle les ondes doivent être ajustées en fréquence pour annuler le déphasage Sagnac indique la vitesse de rotation de la boucle sensible. L'amplitude du décalage de fréquence peut être déterminée par mesure du signal électrique d'attaque appliqué à l'élément de décalage de fréquence. L'utilisation d'élé- ments de décalage de fréquence pour annuler le déphasage Sagnac accroit notablement la gamme dynamique du capteur de rotation à fibre optique. Une cellule de Bragg peut être utilisée pour décaler la fréquence d'une onde optique. Un modulateur acousto-optique a cellule de Bragg comprend habituellement un cristal qui est attaqué par un transducteur acoustique pour produire des ondes acoustiques. Les ondes acoustiques interagissent avec un faisceau lumineux qui se propage a travers le cristal. L'application de signaux de modulation au transducteur acoustique commande la fréquence des ondes acoustiques dans le cristal. Les fronts d'ondes acoustiques dans le cristal fonctionnent à la manière d'un réseau de diffraction en mouvement, qui transmet une première partie du faisceau optique incident et réfléchit une seconde partie. Si le signal optique possède une fréquence W., la partie du faisceau réfléchi par la cellule de Bragg possède alors une fréquence cOo + uWm, et la partie transmise du faisceau possède la fréquence originale -Wo. Les éléments de décalage de fréquence optique à cellule de Bragg comprennent des cristaux formés de PbMoO4 ou de TeO2. Ces cristaux présentent une plage suffisante dans laquelle la fréquence optique peut être décalée, mais il est apparu que la forte biréfringence de ces cristaux provoque une dépolarisation de la lumière dans le capteur de rotation à fibre optique. Une dépolarisation est indésirable car seules des ondes lumineuses de même polarisation produisent les figures d'interférence qui sont traitées pour déterminer la rotation de la boucle sensible. Pour effectuer une correction empêchant cette dépolarisation, l'état de polarisation de la lumière de la fibre doit être traité de façon à être l'état linéaire qui est aligné avec l'axe du cristal à son passage à travers le cristal. Un capteur de rotation à fibre optique peut comprendre deux éléments acousto-optiques de décalage de fréquence. Le faisceau tournant dans le sens des aiguilles d'une montre et le faisceau tournant en sens contraire entrent tous deux dans les deux éléments de décalage de fréquence, o il y a en général quatre emplacements dans la fibre o la polarisation doit être ajustée. La nécessité d'utiliser quatre dispositifs de commande de polarisation complique fortement la structure et le fonctionnement stable d'un capteur de rotation à fibre optique. La cellule habituelle de Bragg exige que le faisceau d'entrée soit collimaté et dirigé vers le cristal sous un certain angle afin que le faisceau, après être entré dans le cristal, forme un angle défini, appelé l'angle de Bragg, avec les fronts d'ondes du champ acoustique. A l'angle de Bragg, la fréquence du champ acoustique est additionnée à la fréquence de la lumière et le faisceau optique collimaté est diffracté de l'angle de Bragg. Le faisceau diffracté est donc décalé en fréquence avant de sortir du cristal en se propageant. Dans le cas de modulateurs acousto- optiques de l'art antérieur à faces extrêmes parallèles, le faisceau de sortie est dévié du faisceau d'entrée du double de l'angle de Bragg. Dans la construction d'un système de détection de rotation à fibre optique comprenant des modulateurs acousto-optiques de l'art antérieur, le décalage angulaire du faisceau optique passant a travers le modulateur acousto-optique doit être pris en compte par une collima- tion du signal optique passant à travers le modulateur acousto-optique. Cette collimation est réalisée par une opération difficile et coûteuse consistant à usiner sous l'angle approprié les supports de montage des lentilles de collimation. Il est également apparu que les faces extrêmes parallèles et polies du modulateur acousto-optique sont capables de supporter des ondes acoustiques stationnaires. Des variations de la fréquence acoustique font varier la longueur des ondes acoustiques entre les faces extrêmes optiques par interférence constructive et destructive. Cette interférence fait varier la force du champ acousti- que, ce qui altère le rendement optique du modulateur acousto-optique et ajoute un bruit d'amplitude au signal optique. Un modulateur acoustooptique conforme à la présente invention, destiné à décaler la fréquence d'ur. signal optique, comprend un bloc formé d'une matière diélectrique. Le bloc présente des première, deuxième et troisième surfaces et un transducteur acoustique est monté sur la première surface pour émettre des ondes acoustiques dans le bloc. Les deuxième et troisième surfaces sont orientées par rapport à la première surface afin qu'un faisceau optique d'une fréquence choisie, arrivant sur la première surface sous un angle choisi, se réfracte dans le bloc et soit diffracté par les ondes acoustiques pour former un faisceau de sortie du bloc qui est co-linéaire avec le faisceau incident et décalé en fréquence par rapport à lui. Le bloc de matière diélectrique faisant partie du modulateur acoustooptique selon la présente invention est avantageusement formé de trisulfure d'arsenic. Le faisceau optique arrivant sur le modulateur acousto-optique est de préférence parallèle à la première surface du bloc; La deuxième surface du bloc est avantageusement orientée par rapport à la première surface afin que le faisceau optique incident arrive sur les ondes acoustiques sous l'angle de Bragg. Les deuxième et troisième surfaces du bloc sont avantageusement orientées par rapport à la première surface afin qu'un faisceau optique arrivant sur la deuxième ou sur la troisième surface et parallèle à la première surface arrive sur les ondes acoustiques sous l'angle de Bragg. Un procédé conforme à l'invention pour réaliser un modulateur acousto-optique destiné à décaler la fréquence d'un signal optique comprend les étapes qui consistent à former des première, deuxième et troisième surfaces sur un bloc de matière diélectrique et à émettre des ondes acoustiques dans la première surface du bloc. Le procédé consiste aussi à orienter les deuxième et troisième surfaces par rapport à la première surface afin qu'un faisceau optique d'une fréquence choisie, arrivant sur la première surface sous un angle choisi, se réfracte dans le bloc et soit diffracté par les ondes acoustiques afin de former un faisceau de sortie du bloc qui est co- linéaire avec le faisceau incident et. qui en est décalé en fré- quence. Le procédé selon l'invention comprend avanta- geusement l'étape consistant à former le bloc en trisulfure d'arsenic. Le procédé comprend avantageusement l'étape consistant à appliquer le faisceau optique incident parallèlement à la première surface du bloc. Le procédé comprend avantageusement l'étape consistant à orienter la deuxième surface du bloc par rapport à la première surface afin que le faisceau optique incident arrive sur les ondes acoustiques sous l'angle de Bragg. Le procédé comprend avantageusement l'étape consistant à orienter les deuxième et troisième surfaces du bloc par rapport à la première surface afin qu'un faisceau optique arrivant sur la deuxième ou sur la troisième surface et parallèle à la première surface atteigne les ondes acoustiques sous l'angle de Bragg. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un modulateur acousto-optique de l'art antérieur comportant des faisceaux lumineux d'entrée et de sortie; et - la figure 2 est une vue schématique il- lustrant un modulateur acoustique selon l'invention. La figure 1 représente un modulateur acousto- optique 10 de l'art antérieur qui est réalisé de façon & comprendre un cristal 12 et un transducteur acoustique 14 fixé à une face 16 du cristal 12. Le transducteur acousti- que 14 produit des ondes acoustiques qui se déplacent globalement de la face 16 du cristal vers la face opposée 18. Les fronts d'ondes acoustiques sont indiqués par des lignes parallèles 20. Un faisceau lumineux 22 arrive sur une surface 24 du cristal 12 sous le demi-angle de Bragg I par rapport à la normale à la surface 24. La plus grande partie du faisceau incident est réfractée à la surface 24 et entre dans le cristal 12. La lumière interagit, à l'intérieur du cristal 12, avec les ondes acoustiques 20 et est décalée en fréquence. La lumière se propage à travers le cristal et sort à une surface 26 qui est opposée à la surface 24 o la lumière est entrée dans le cristal 12. On peut voir sur la figure 1 que le faisceau diffracté est dévié de l'angle de Bragg par rapport au faisceau incident. La figure 2 illustre un modulateur acousto- optique 30 selon l'invention. Le modulateur acousto-optique comprend un cristal 32 sur une surface 35 duquel est fixé un transducteur acoustique 34. Le cristal 32 présente deux surfaces 36 et 38 qui sont inclinées ? r rapport à la surface 35. Les surfaces 35, 36 et 38 sont avantageusement formées de façon à être optiquement planes, sans ir- régularités ou stries superficielles. En référence encore & la figure 2, le faisceau incident est parallèle à la surface 31, de sorte qu'il atteint la surface 36 en formant un angle I' avec la normale à la surface 36. La surface inclinée 36 est rectifiée avec précision et utilise l'indice de réfraction du cristal 32 pour compenser l'angle de Bragg. Une partie de la lumière incidente est diffractée dans le cristal et interagit avec des fronts d'ondes acoustiques produits par le transducteur acoustique 34. Une partie du faisceau optique est diffractée, dans le cristal, à partir du front d'onde acoustique et est dirigée vers la surface 38. Le faisceau optique est réfracté à la surface 38 et émerge du cristal en étant co-linéaire avec le faisceau incident. Les faisceaux incidents et de sortie du modulateur acousto-optique 30 étant co-linéaires, il devient inutile d'usiner des supports de lentilles & l'angle de Bragg. L'invention permet aux supports de lentilles utilisés pour focaliser les faisceaux optiques d'être usinés de façon co-linéaire, ce qui est plus aisé à effectuer avec une grande précision que leur usinage à l'angle de Bragg. Les faces extrêmes du modulateur acousto- optique 30 de l'art antérieur doivent être usinées à l'angle I' pour produire l'interaction souhaitée avec les fronts d'ondes acoustiques et le faisceau optique. Dans le cas du modulateur acousto-optique 12 ayant des surfaces extrêmes à angle droit, le demi-angle de Bragg I est donné par: sinI = 2= 2v (1) 2A(1) o est la longueur d'onde de la lumière incidente, A est la longueur d'onde acoustique dans le modulateur acousto-optique 30, f est la fréquence rf à laquelle le modulateur acousto-optique 30 est commandé et v est la vitesse acoustique dans le modulateur acousto-optique 30. Selon la loi de Snell, l'angle de Bragg B dans le modula- teur acousto-optique 30 est donné par: sinai sin B = (2) o n est l'indice de réfraction du cristal 32 à la longueur d'onde de la lumière incidente. L'angle de réfraction du faisceau d'entrée doit être égal à l'angle de Bragg pour que les faisceaux d'entrée et de sortie du modulateur acousto-optique 30 soient co-linéaires. En référence à la figure 2, dans le cas du cristal 32 dont la face extrême 36 forme un angle I' avec le plan du transducteur acoustique 34, un faisceau d'entrée parallèle au transducteur acoustique 34 atteint la face extrême 36 sous l'angle I' avec la normale à la face extrême 36. Conformément à la' loi de Snell, le faisceau d'entrée est réfracté à un angle R par rapport à la normale, ce qui est donné par: sin I' = nsin R (3) La condition souhaitée est que I'=B + R; par conséquent, par substitution, on trouve que: sin B tg R = (4) il - cos B Pour du trisulfure d'arsenic, AS2S3, à une longueur d'onde = 840 nm, l'indice de réfraction est n = 2,51. Lorsque le modulateur acousto-optique 30 est commandé à une fréquence acoustique f = 80 MHz, la vitesse acbustique étant de 2600 m/s, l'angle B est éal à ,15 mrads et l'angle R est égal à 3,41 mrads. Ces angles donnent un angle de la face extrême de 8,56 mrads, lequel peut être aisément formé sur le cristal 32. Le trisulfure d'arsenic possède une faible biréfringence et un coefficient de qualité élevé. La faible biréfringence empêche une dépolarisation qui a lieu dans des matières telles que PbMoO4 et TeO2 normalement utilisées pour la fabrication de modulateurs acousto- optiques. Le coefficient de qualité élevé permet au modulateur acoustooptique 30 d'être de faible dimension et d'une consommation minimale d'énergie tout en présentant un rendement optique élevé. Les caractéristiques de fonctionnement du modulateur acousto-optique 30 ont été essayées à des fréquences proches de f = 78 MHz. Le rendement optique global est d'environ 69% et la suppression des bandes latérales est d'environ 57 dB. En faisant varier la fréquence, il est apparu que les pointes de fréquence à 3 dB étaient d'environ 73,9 et 82,7 MHz, donnant une bande passante d'environ 8,8 MHz. Les résultats de l'essai ont montré que le modulateur acousto-optique 30 produisait une réduction de dB du bruit d'amplitude dans la transmission optique, provoqué par des ondes stationnaires dans des conceptions de l'art antérieur. Les faces extrêmes inclinées du cristal 32 réfléchissent les ondes à l'intérieur du cristal sous des angles de plus en plus élevés, ce qui n'entretient pas d'ondes acoustiques stationnaires entre les faces extrêmes 36 et 38. La fréquence rf a été modulée avec une excursion de fréquence d'environ 180 KHz autour de la fréquence centrale rf, et le signal de sortie optique a été mesuré au moyen d'un photodétecteur rapide et analysé au moyen d'un analyseur de- spectre. En faisant varier la fréquence centrale rf entre 77 et 79 MHz, on a trouvé que la modulation d'amplitude de la fréquence fondamentale était inférieure à 25 dB. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au modulateur acousto-optique décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Modulateur acousto-optique pour décaler la fréquence d'un signal optique, caractérisé en ce qu'il comporte un bloc formé d'une matière diélectrique (32) et présentant des première, deuxième et troisième surfaces (35, 36, 38), un transducteur acoustique (34) monté sur la première surface pour émettre des ondes acoustiques dans le bloc, les deuxième et troisième surfaces étant orientées par rapport à la première surface afin qu'un faisceau optique d'une fréquence choisie, arrivant sur la deuxième surface sous un angle choisi, soit réfracté dans le bloc et diffracté par les ondes acoustiques pour former un faisceau de sortie du bloc qui est co-linéaire avec le faisceau incident et qui en est décalé en fréquence. 2. Modulateur acousto-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc est formé de façon à comprendre du trisulfure d'arsenic. 3. Modulateur acousto-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau optique incident est parallele à la première surface du bloc. 4. Modulateur acousto-optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième surface du bloc est orientée par rapport à la première surface de manière que le faisceau optique incident atteigne les ondes acoustiques sous l'angle de Bragg. 5. Modulateur acousto-optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deuxième et troisième surfaces du bloc sont orientées par rapport à la première surface de manière qu'un faisceau optique arrivant sur la deuxième ou sur la troisième surface et parallèle à la première surface atteigne les ondes acoustiques sous l'angle de Bragg. 6. Procédé pour réaliser un modulateur acousto- optique destiné à décaler la fréquence d'un signal optique, caractérisé par les étapes qui consistent à former des première, deuxième et troisième surfaces (35, 36, 38) sur un bloc en matière diélectrique (32), à émettre des ondes acoustiques dans la première surface du bloc, à orienter les deuxième et troisième surfaces par rapport à la première surface afin qu'un faisceau optique d'une fréquence choisie, arrivant sur la deuxième surface sous un angle choisi, soit réfracté dans le bloc et diffracté par les ondes acoustiques pour former un faisceau de sortie du bloc qui est co-linéaire avec le faisceau incident et qui en est décalé en fréquence. 7. Procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce qu'il consiste à former le bloc afin qu'il comprenne du trisulfure d'arsenic. 8. Procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce qu'il consiste à appliquer le faisceau optique incident parallèlement à la première surface du bloc. 9. Procédé selon la revendication 8, carac- térisé en ce qu'il consiste à orienter la deuxième surface du bloc par rapport à la première surface afin que le faisceau optique incident atteigne les ondes acoustiques sous l'angle de Bragg. 10. Procédé selon la revendication 8, carac- térisé en ce qu'il consiste à orienter les deuxième et troisième surfaces du bloc par rapport à la première surface afin qu'un faisceau optique arrivant sur la deuxième ou sur la troisième surface et parallèle à la première surface atteigne les ondes acoustiques sous l'angle de Bragg.