Brevet FR2655418A1 — publié le 19910607

La présente invention se rapporte à un dispositif de lecture de capteurs à fibres optiques. Pour décoder les informations en provenance d'un réseau de capteurs multiplexés en cohérence, il est nécessaire de compenser les déphasages à l'aide d'un dispositif interférométrique de lecture Suivant l'architecture du réseau de capteurs, on utilise des interféromètres de type Mach-Zehnder à fibres optiques ou des interféromètres de type Michelson Dans le cas particulier du multiplexage en faible cohérence, l'utilisation de fibres optiques non biréfringentes est délicate compte tenu de la précision requise pour l'ajustage de la longueur des tronçons de fibre utilisés dans les interféromètres passifs de type Mach-Zehnder Dans le cas général, l'interféromètre de Michelson est largement utilisé en laboratoire compte tenu de sa grande versatilité et de sa facilité d'emploi Cependant, l'emploi hors laboratoire, par exemple en site industriel, est très délicat, en particulier à cause de la fragilité des miroirs mobiles de cet interféromètre. L'invention a pour objet un dispositif de lecture de capteurs à fibres optiques qui soit de faible encombrement, facile à régler et à utiliser, qui puisse être employé dans un environnement hostile (milieu industriel, matériel embarqué), qui présente une sensibilité au moins égale à celle des interféromètres connus, tout en gardant une bonne dynamique, et qui ait un temps de réponse le plus faible possible. Le dispositif de lecture de capteurs à fibres optiques conforme à l'invention comporte un interféromètre en optique intégrée à deux bras de longueurs différentes, suivi d'un détecteur et d'un circuit d'asservissement de l'interféromètre. Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins un des bras de l'interféromètre comporte un modulateur de phase relié au circuit d'asservissement Ainsi, selon l'invention, l'interféromètre à deux bras de longueurs différentes permet de compenser le retard moyen entre les deux trains d'ondes, produits à partir de l'onde optique d'une source faiblement cohérente, ce retard étant fonction de la grandeur à mesurer, la mesure consistant à déterminer une grandeur nécessaire à l'asservissement de l'interféromètre Ainsi, on réalise la mesure sans déplacement mécanique, d'o une meilleure sensibilité du lecteur, tout en gardant une bonne dynamique, ce lecteur étant de faible encombrement et présentant un faible temps de réponse. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est un diagramme d'un signal recueilli par un détecteur associé à un dispositif à capteurs par cohérence et à un lecteur de l'art antérieur, la figure 2 est un diagramme d'un signal recueilli par un détecteur associé à un dispositif à capteurs par cohérence et à un lecteur conforme à l'invention, la figure 3 est un diagramme expliquant le principe de fonctionnement pour la lecture de signaux à retard important, à l'aide d'un lecteur conforme à l'invention, la figure 4 est un bloc-diagramme d'un dispositif de lecture conforme à l'invention, la figure 5 est un bloc-diagramme d'une variante d'une partie du dispositif de lecture de la figure 4, la figure 6 est le bloc- diagramme simplifié d'un dispositif de lecture conforme à l'invention pour la lecture de signaux multiplexés. On va tout d'abord décrire le principe de la mesure de grandeurs physiques à l'aide de capteurs à fibres optiques fonctionnant par cohérence Le fonctionnement par cohérence veut dire que l'information concernant la grandeur physique à mesurer est contenue dans le retard entre deux trains d'ondes optiques générés à partir d'une onde unique produite par une source faiblement cohérente (longueur d'onde de cohérence inférieure à quelques centaines de microns). Quelques ordres de grandeur permettent de préciser l'intérêt des méthodes de cohérence par rapport aux autres techniques (modulation de l'intensité de l'onde optique, modulation du retard entre deux impulsions ou d'un signal modulé en fréquence, etc) La longueur de cohérence 1 c peut être aussi petite que 3 Opmn Avec des sources à diodes superluminescentes, un bon couplage avec des fibres optiques monomodes peut être obtenu: puissance couplée de l'ordre de looji W. Du point de vue du traitement du signal, de telles caractéristiques sont analogues à celles qu'on obtiendrait avec des impulsions de 10 14 S et des puissances crêtes de 108 W. Le principe de la mesure est le suivant Pour les capteurs par cohérence, la mesure ne peut être réalisée que par corrélation En effet, l'onde optique générée par une source à faible cohérence est un signal aléatoire, ce qui interdit de réaliser la mesure à l'aide de techniques de filtrage Cette situation présente de fortes analogies avec les radars dits radars à bruit qui en dépit de leur fonction d'ambiguïté temps-fréquence très attrayante sont en pratique peut utilisés. En général, la technique de compression d'impulsions qui permet une analyse par filtrage est très souvent préférée à celle des radars à bruit. Si on note A(t) l'onde optique émise par la source, le capteur génère une seconde onde A(t c) qui ne diffère de la première que par le retard é' La mesure de ce retard permet de déterminer la valeur de la grandeur physique (température, pression, etc) A la sortie de la partie capteur de la fibre optique, l'onde optique totale est AT(t) = A(t) + A(t-ce), et l'on se trouve par hypothèse dans le cas o ce retard est très supérieur au temps de cohérence de la source Ce c c a'": =t/ o c est la célérité de la lumière. D'un point de vue pratique, cela signifie que la valeur moyenne sur un intervalle de temps T (suffisamment grand devant la période de l'onde optique) du produit (fonction de corrélation): A(t) A(t-C) est nulle, soit )A(t) A(t)dt O T T Dans la suite on notera cette valeur moyenne par la notation symbolique : 1 i f(t) dt = . T T Une mesure directe de l'onde AT (t) ne permet donc pas de déterminer g Il faut générer deux ondes à partir de AT(t) afin de compenser ce retard c: avant d'effectuer des interférences sur un détecteur Donc à partir de AT(t) on génère deux nouvelles ondes AT (t) et AT 2 (t) de telle sorte que A Tl(t) = k AT(t) = k' {A(t) + A(t-c)} AT 2 (t) = k AT(t-TR) = k' {A(t-TR) + A(t R) k et k' étant des facteurs de proportionnalité. Si maintenant Y ' R) est inférieur au temps de cohérence, ce qu'on nommera plus simplement "rattrapage du retard", l'interférence de A Tl (t) et AT 2 (t) sur un détecteur contiendra un terme proportionnel à o Le signal qu'on observe sur un détecteur en fonction de r R a donc l'allure représentée en figure 1. Selon l'invention, on utilise un interféromètre en optique intégrée (ICI) dont les deux bras présentent une différence de longueur correspondant à un retard r O égal au retard moyent m''Y m étant le retard moyen par rapport à la grandeur physique à mesurer Une fois ce retard moyen compensé, on asservit le signal d'interférence à une valeur de consigne et on réalise la mesure de préférence sur le signal de contre-réaction après étalonnage du dispositif de lecture. L'asservissement est effectué en utilisant un des bras de l'interféromètre comme modulateur de phase, ce qui est à priori aisé avec un I O I. On se trouve dans la situation illustrée par le diagramme de la figure 2 o ' CR représente le retard de contre-réaction introduit par le modulateur de phase On a donc: T =CC m + C CR connaissant T m a priori et c CR par la tension de commande du signal de contre-réaction, on en déduit c, c'est-à-dire le retard dû au capteur et donc la valeur de la grandeur physique à mesurer. On va maintenant examiner le retard que l'on peut induire avec un modulateur de phase optique intégrée est de l'ordre de À, la longueur d'onde optique Il est clair qu'il existe des situations o la différence entre le retard moyen' m (introduit par la différence de longueur entre les deux chemins optiques de l'I O I) et le retard T (dû à la partie capteur de la fibre optique) peut être supérieur à la longueur d'onde. Selon l'invention, la solution à ce problème consiste à coupler le système de contre-réaction du dispositif d'asservissement à un système de compteur-décompteur permettant de réaliser des sauts d'une frange d'interférence à l'autre. Ce principe est donc le suivant: si le retard: CR à générer est supérieur à un déphasage de ÂT, on effectue un saut de tension négatif correspondant à un déphasage de 21 T et on ajoute au compteur une unité. Pour la situation symétrique o le déphasage à générer est inférieur à 11, on réalise cette fois un saut de tension positif (correspondant à un déphasage de 21 Â) et on soustrait une unité au compteur On se trouve donc dans la situation illustrée en figure 3 Sur cette figure, MC représente la valeur du compteur et c la célérité de la lumière (retard > /c déphasage à générer égal à 21 T). On va maintenant mentionner les ordres de grandeur des précisions que l'on peut atteindre avec le dispositif de l'invention. On considère le cas très simple d'un capteur de température en silice dn/d T -'r 10-5 dont la longueur générant le retard test de 1 cm Si on suppose que la précision -3 de l'asservissement et de l'ordre de 10 21 Â rd (ce qui correspond à une contrainte peu sévère), la précision sur la température sera: 21 (dn/dt) d T = 10 x 21 Â X -3 _ 20 si A = 1 pum, et c étant la longueur de cohérence de la source, le nombre de franges présentes dans le signal sera X La dynamique sera donc, si 1-c 30 pim L\ T = c 1000 C C 3000 o C ( 1000 C étant le AT pour 21 Â rd), N ce qui est actuellement largement supérieur aux possibilités technologiques de la fibre optique. Afin d'asservir le signal du détecteur à une valeur de consigne, il est avantageux de travailler sur la dérivée des franges d'interférence Ceci signifie qu'on doit superposer à la valeur continue de la tension qui génère CC CR une faible tension alternative: E cos ( W t) et analyser à l'aide d'une détection synchrone la valeur du signal à fréquence 2 (n /21 Â). L'asservissement est ainsi réalisé en recherchant à annuler ce signal d'erreur. Les interféromètres en optique-intégrée ont des bandes passantes pouvant être de l'ordre de plusieurs G Hz, cette méthode de mesure peut donc permettre d'analyser des grandeurs physiques rapidement variables. Cette méthode ne permet pas une mesure absolue de la grandeur physique à annuler Des erreurs peuvent s'accumuler sur le compteur-décompteur, et il est nécessaire de procéder à un étalonnage régulier pour redéfinir précisément le zéro du compteur Ce problème n'est pas particulier à cette méthode de mesure, et le réétalonnage sur un signal de référence est une solution bien connue en soi. On va maintenant décrire en référence à la figure 4, un exemple de réalisation de lecteur conforme à l'invention Une fibre optique 1 comporte une section 2 servant de capteur de grandeur physique La fibre 1 est alimentée par une source 3 au moins faiblement cohérente, et est reliée à un dispositif de lecture 4 chargé d'analyser le retard c produit dans le capteur 2 Selon l'invention, le dispositif 4 comporte un interféromètre qui présente deux bras 5 A, SB de longueurs différentes, le bras SA étant le plus court Leur différence de longueur pouvant par exemple être comprise entre 100 pmn et 1 cm environ. Selon un mode de réalisation préféré, l'interféromètre est du type MachZehnder en optique intégrée. L'interféromètre 5 comporte sur l'un de ses deux bras, par exemple le bras 5 A, un modulateur de phase 6 La sortie de l'interféromètre 5 est reliée à un détecteur classique 7, lui-même relié à un détecteur synchrone 8 La sortie du détecteur 8 est reliée en contreréaction au modulateur de phase 6. Selon la variante représentée en figure 5, le dispositif de lecture 4 ' comporte un interféromètre 5 ', également en optique intégrée, à deux bras 5 'A,5 'B de longueurs inégales, le bras 5 'A étant le plus court Sur chacun des bras 'A, 5 'B on dispose un modulateur de phase, respectivement 6 'A, G'A La sortie de l'interféromètre 5 ' est reliée à un détecteur classique 7 ', lui-même relié à un détecteur synchrone 8 ' Un générateur 9 de tension sensiblement sinusoïdale, produisant une tension de fréquence f, est relié à une entrée de tension de référence du détecteur 8 ' au modulateur 6 'B La sortie du détecteur 8 ' est reliée au modulateur 6 'A Sur cette sortie du détecteur 8 ', on recueille la composante de fréquence 2 f, démodulée. On a représenté en figure 6, un dispositif de lecture pour capteurs multiplexés par cohérence Une source 10 d'impulsions lumineuses est reliée à une fibre optique 11 dans laquelle est inséré un dispositif de mesure 12 Ce dispositif 12 comporte N capteurs qui sont soit des capteurs différents, soit des sections de capteurs d'une même fibre optique Le dispositif de lecture 13 branché à la sortie du dispositif 12 est chargé de mesurer N retards de trains d'onde générés par les N capteurs. Le dispositif de lecture 13 comporte N branches de dérivation 14.1 à 14 N à partir d'une fibre principale 11 ' reliée à la sortie du dispositif 12 Sur chacune des branches 14 1 à 14 n, on branche un dispositif de lecture 15 1 à 15 N (non représenté en détail) tel que le dispositif 4 ou le dispositif 4 ' Ces dispositifs 15 1 à 15 N sont éventuellement précédés chacun d'un polariseur 16 1 à 16 n, les interféromètres étant asservis chacun de la façon représentée en figure 4 ou en figure 5 Le principe de fonctionnement de capteurs multiplexés en cohérence a été décrit par exemple dans les Demandes de Brevets français n' 88 00780 et 88 00781 Bien entendu, les N interféromètres en optique intégrée du dispositif de lecture 13 peuvent être réalisés sur le même substrat commun, au cours d'un même processus de fabrication. L'interféromètre de l'invention est avantageusement réalisé selon la technique des circuits en optique intégrée. Selon un premier mode de réalisation, il peut être réalisé sur un substrat tel que le Li Nb O 3 Les bras de l'interféromètre sont des guides d'ondes optiques formés par diffusion de titane. Selon un autre mode de réalisation, on utilise pour le substrat des circuits en optique intégrée un matériau comportant du Ga Al As ou Ga In As P Dans ce cas, on forme les guides d'ondes optiques de préférence par épitaxie. Etant donné que les circuits en optique intégrée ont de très faibles dimensions (largeur effective d'un interféromètre Mach-Zehnder d'environ l OO 1 nm), on peut en fabriquer un grand nombre sur un même substrat. REVENDICATIONS 1 Dispositif de lecture de capteurs par cohérence, caractérisé par le fait qu'il comporte un interféromètre en optique intégrée ( 5,5 ') à deux bras de longueurs différentes, suivi d'un détecteur ( 7,7 ') et d'un circuit d'asservissement de l'interféromètre ( 8,6 ou 8 ',9,6 'A,6 'B). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au moins un des bras de l'interféromètre comporte un modulateur de phase relié au circuit d'asservissement ( 6,6 'A,6 'B), afin de réaliser l'asservissement. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la mesure est réalisée sur le signal de contre-réaction du circuit d'asservissement. 4 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte dans son circuit d'asservissement un générateur ( 9) de tension sensiblement sinusoïdale relié à l'interféromètre ( 5 ') et à un détecteur synchrone ( 8 ') lui-même relié à l'interféromètre. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, pour la mesure de retards de valeur supérieure à la longueur d'onde optique, caractérisé par le fait que le dispositif d'asservissement est couplé à un système compteur-décompteur de sauts de franges d'interférence (figure 3). 6 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, pour la lecture de N capteurs ( 12) disposés en série et multiplexés en cohérence, caractérisé par le fait qu'il comporte en dérivation sur une fibre principale ( 11 ') N branches ( 14 1 à 14 n) comportant chacune un interféromètre ( 15 1 à 15.n) et un détecteur ( 17 1 à 17 n).