Brevet FR2709346A1 — publié le 19950303

La présente invention concerne un gyroscope à fibre optique et plus particulièrement, la diminution des parties optiques à utiliser dans un gyroscope à fibre optique. Un type de gyroscope à fibre optique classique comprend une source de lumière constituée par une diode laser pour émettre un signal lumineux, un premier coupleur optique présentant des états de barre et de croix pour des signaux lumineux afin de sélectionner une ou deux bornes de sortie, un polariseur pour polariser les signaux lumineux et pour diminuer tout bruit d'interférence des signaux lumineux, un second coupleur optique remplissant la même fonction que le premier coupleur optique, une boucle de détection à fibre optique pour propager les signaux lumineux dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse, un modulateur de phase pour moduler les phases de signaux lumineux propagés au travers de la boucle de détection, un récepteur de lumière constitué par une photodiode pour recevoir un signal lumineux appliqué depuis le premier coupleur optique et un circuit de traitement de signal pour traiter un signal électrique appliqué.depuis le récepteur de lumière afin de calculer une vitesse angulaire de rotation conformément à l'équation présentée ci-dessous Q = s/a o "n" est la vitesse angulaire de rotation, "à s" est une différence de phase de Sagnac, c'est-à-dire une différence de phase des signaux lumineux propagés au travers de la boucle de détection dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse et "a" est défini au moyen de l'équation suivante a=4 i Rl/XC o "R" est le rayon de la boucle de détection, "1" est la longueur de la boucle de détection, "n." est la longueur d'onde du signal lumineux et "C" est la vitesse de la lumière. En fonctionnement, un signal lumineux est émis depuis la source de lumière pour être appliqué sur le premier coupleur optique et le signal lumineux est ensuite appliqué via le polariseur au second coupleur optique. Ainsi, le signal lumineux est divisé pour être propagé au travers de la boucle de détection dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse puis il est ramené au second coupleur optique. Le signal lumineux ramené est appliqué en sens opposé au polariseur puis au premier coupleur optique depuis lequel le signal lumineux est appliqué au récepteur de lumière. Dans le récepteur de lumière, le signal lumineux est converti en un signal électrique qui est ensuite traité dans le circuit de traitement de signal. Ainsi, une vitesse angulaire de rotation d'un élément tournant sur lequel la boucle de détection est montée est calculée dans le circuit de traitement de signal. Dans ce gyroscope à fibre optique classique, même si une source de lumière qui émet un signal lumineux moins polarisé linéairement est utilisée, une précision prédéterminée est obtenue lors de la détection de la vitesse angulaire de rotation du fait qu'un polariseur est utilisé. Dans le gyroscope à fibre optique classique cependant, on observe un inconvénient qui consiste en ce que le nombre de parties optiques est important, ce qui augmente le coût de fabrication de ce même gyroscope et l'assemblage de celui-ci est difficile du fait du nombre de parties optiques. Pour cette raison, un autre type de gyroscope à fibre optique classique a été proposé, gyroscope dans lequel une photodiode est intégrée à une diode laser de telle sorte que le premier coupleur optique mentionné ci- avant soit omis afin de diminuer le nombre de parties optiques. Cependant, I'inconvénient mentionné ci-avant n'est jamais surmonté dans ce dernier gyroscope à fibre optique classique du fait que la diminution des parties optiques ne s'effectue pas selon un nombre suffisant. Par conséquent, un objet de l'invention consiste à proposer un gyroscope à fibre optique dans lequel le nombre de parties optiques est diminué afin d'abaisser le coût de fabrication de ce même gyroscope et afin de faciliter son assemblage. Un autre objet de l'invention consiste à proposer un gyroscope à fibre optique dans lequel la fiabilité est augmentée en relation avec la diminution du nombre de parties optiques. Encore un autre objet de l'invention consiste à proposer un gyroscope à fibre optique dans lequel une diode laser à faible coût est utilisée du fait qu'un moyen permettant de diminuer tout bruit d'interférence est adopté. Selon une première caractéristique de l'invention, un gyroscope à fibre optique comprend: une source de lumière pour émettre un signal lumineux un coupleur optique pour recevoir ledit signal lumineux destiné à être divisé en des premier et second signaux lumineux et pour recevoir des troisième et quatrième signaux lumineux destinés à être combinés en tant que signal lumineux combiné; une boucle de détection à fibre optique comportant des première et seconde extrémités, lesdits premier et second signaux lumineux étant couplés optiquement auxdites première et seconde extrémités de ladite boucle de détection à fibre optique pour être propagés au travers de ladite boucle de détection à fibre optique dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse et pour être appliqués en tant que dits troisième et quatrième signaux lumineux depuis lesdites première et seconde extrémités; un récepteur de lumière pour recevoir ledit signal lumineux combiné destiné à être converti en un signal électrique, ledit signal lumineux combiné étant transmis au travers de ladite source de lumière et ledit récepteur de lumière étant positionné derrière ladite source de lumière; et un circuit de traitement de signal pour traiter ledit signal électrique pour obtenir une vitesse angulaire de rotation d'un élément tournant conformément à une différence de phase desdits troisième et quatrième signaux lumineux, ledit élément tournant étant lié à ladite boucle de détection à fibre optique, dans lequel ladite source de lumière présente une différence de facteur d'atténuation ou d'amplification pour deux signaux lumineux de polarisations orthogonales; et ladite boucle de détection à fibre optique est constituée par une fibre optique qui maintient le plan de polarisation. Selon une seconde caractéristique de l'invention, un gyroscope à fibre optique comprend: une source de lumière pour émettre un signal lumineux une fibre optique pour propager ledit signal lumineux jusqu'à une position prédéterminée, ladite fibre optique présentant une longueur prédéterminée; un coupleur optique pour recevoir ledit signal lumineux appliqué depuis ladite fibre optique pour qu'il soit divisé en des premier et second signaux lumineux et pour recevoir des troisième et quatrième signaux lumineux destinés à être combinés en tant que signal lumineux combiné; une boucle de détection à fibre optique comportant des première et seconde extrémités, lesdits premier et second signaux lumineux étant couplés optiquement auxdites première et seconde extrémités de ladite boucle de détection à fibre optique pour être propagés au travers de ladite boucle de détection à fibre optique dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse et pour être appliqués en tant que dits troisième et quatrième signaux lumineux provenant desdites première et seconde extrémités; un récepteur de lumière pour recevoir ledit signal lumineux combiné appliqué depuis ladite fibre optique pour qu'il soit converti en un signal électrique, ledit signal lumineux combiné étant transmis au travers de ladite source de lumière et ledit récepteur de lumière étant positionné derrière ladite source de lumière; et un circuit de traitement de signal pour traiter ledit signal électrique pour produire une vitesse angulaire de rotation d'un élément tournant conformément à une différence de phase desdits troisième et quatrième signaux lumineux, ledit élément tournant étant lié à ladite boucle de détection à fibre optique, dans lequel ladite longueur prédéterminée de ladite fibre optique est établie de manière à satisfaire une relation dans laquelle une différence de distance déterminée par ladite longueur prédéterminée et par une différence de phase de deux lumières polarisées orthogonalement propagées au travers de ladite fibre optique est supérieure à une distance d'interférence de ladite source de lumière; et ladite fibre optique et ladite boucle de détection à fibre optique sont constituées par une fibre optique qui maintient le plan de polarisation. L'invention est décrite de manière davantage détaillée en relation avec les dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est un schéma explicatif qui représente un premier gyroscope à fibre optique classique; la figure 2 est un schéma explicatif qui représente un second gyroscope à fibre optique classique; la figure 3 est un schéma explicatif qui représente un gyroscope à fibre optique selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention; la figure 4 est un graphique qui représente un rapport d'extinction en fonction du courant appliqué sur une diode laser qui est la source de lumière du premier mode de réalisation particulier; les figures 5A et 5B sont des graphiques qui représentent des caractéristiques de dérive statique et de température dans un état dans lequel il n'y a pas de polariseur de prévu dans un gyroscope à fibre optique selon le premier mode de réalisation particulier et dans un état dans lequel un polariseur est prévu dans le gyroscope à fibre optique classique; la figure 6 est un schéma explicatif qui représente un gyroscope à fibre optique selon un second mode de réalisation particulier de l'invention; et la figure 7 est un schéma explicatif qui représente un état de couplage entre une diode laser et une fibre optique pour le second mode de réalisation particulier. Avant de procéder à la description d'un gyroscope à fibre optique selon les modes de réalisation particuliers de l'invention, les gyroscopes à fibre optique classiques mentionnés ci-avant sont expliqués. La figure 1 représente le premier gyroscope à fibre optique classique qui comprend une source de lumière 1 constituée par une diode laser, des premier et second coupleurs optiques 2a et 2b, un polariseur 3, un modulateur de phase 4, une boucle de détection à fibre optique 5, un récepteur de lumière 6 constitué par une photodiode, un pré- amplificateur 7 et un circuit de traitement de signal 8. Dans le premier gyroscope à fibre optique classique, le premier coupleur optique 2a est prévu entre une fibre optique 12A couplée à la source de lumière 1 et au polariseur 3 ainsi qu'entre une fibre optique 12B couplée au récepteur de lumière 6 et au polariseur 3 de telle sorte qu'un signal lumineux émis depuis la source de lumière 1 soit appliqué via le premier coupleur optique 2a sur le polariseur 3 et qu'un signal lumineux soit appliqué via le premier coupleur optique 2a depuis le polariseur 3 jusqu'au récepteur de lumière 6 suite à la propagation au travers de la boucle de détection 5. Comme il ressort de l'illustration du premier gyroscope à fibre optique classique de la figure 1, le nombre de parties optiques est important. Il s'agit de l'inconvénient mentionné ci- avant qui n'est pas expliqué ici à nouveau et le fonctionnement n'est pas non plus expliqué ici à nouveau. La figure 2 représente le second gyroscope à fibre optique classique qui comprend une source de lumière 10 combinée à un récepteur de lumière, ensemble dans lequel une diode laser et une photodiode sont intégrées sur un substrat semiconducteur commun, un coupleur optique 2, un polariseur 3, un modulateur de phase 4, une boucle de détection à fibre optique 5, un circuit de traitement de signal 8 et un pré- amplificateur (non représenté) prévu au niveau de l'étage avant du circuit de traitement de signal 8. Comme il ressort de l'illustration du second gyroscope à fibre optique classique de la figure 2, un coupleur optique correspondant au premier coupleur optique représenté sur la figure 1 est omis du fait que la diode laser et que la photodiode sont positionnées sur un chemin lumineux commun du fait que la structure de fabrication est intégrée. Même dans le second gyroscope à fibre optique classique, l'inconvénient mentionné ci-avant n'est pas surmonté. Un gyroscope à fibre optique du premier mode de réalisation particulier selon l'invention est expliqué en relation avec la figure 3. Le gyroscope à fibre optique comprend une source de lumière 10 intégrée à un récepteur de lumière, une lentille de couplage de lumière 9, un coupleur optique 2, un modulateur de phase 4, une boucle de détection de fibre optique 5 et un circuit de traitement de signal 8, la source de lumière 10 qui est intégrée au récepteur de lumière étant par exemple une diode laser en GaAIAs 21 fabriquée à l'aide d'une photodiode PIN 22 sur un substrat semiconducteur commun, et la fibre optique 12 ainsi que la boucle de détection 5 sont constituées par une fibre optique qui maintient un plan polarisé. Dans ce mode de réalisation particulier, la diode laser en GaAIAs 22 réagit différemment, du point de vue du facteur d'atténuation ou du facteur d'amplification, à deux lumières présentant des polarisations orthogonales et elle est connectée au circuit de traitement de signal 8 par une anode 21A et par une électrode commune 10A, et la photodiode PIN 22 est connectée au circuit de traitement de signal 8 par une anode 22A et par l'électrode commune 10A. En fonctionnement, un courant de polarisation qui s'inscrit dans la plage comprise entre 35 et 45 mA est appliqué à la diode laser en GaAIAs 21 afin d'émettre un signal lumineux qui soit couplé à une extrémité d'incidence de la fibre optique 12 par la lentille de couplage 9. Le signal lumineux est propagé sur la fibre optique 12 pour être appliqué au coupleur optique 2 dans lequel le signal lumineux est divisé en deux signaux lumineux destinés à être propagés au travers de la boucle de détection 5 dans le sens des aiguilles d'une montre et en sens inverse et à être modulés en phase par le modulateur de phase 4. Les signaux lumineux propagés sont ramenés au coupleur optique 2 pour constituer un signal lumineux combiné qui est propagé au travers de la fibre optique 12 dans le sens opposé pour être couplé à la diode laser en GaAIAs 21. Le signal lumineux reçu est transmis par l'intermédiaire de la diode laser en GaAIAs 21 pour être reçu par la photodiode PIN 22 dans laquelle le signal lumineux est converti en un signal électrique. Le signal électrique est traité dans le circuit de traitement de signal 8 afin de calculer une vitesse angulaire de rotation conformément à l'équation mentionnée ci-avant. La figure 4 représente la relation qui lie le courant de polarisation appliqué à la diode laser en GaAIAs 21 et le rapport d'extinction, le rapport d'extinction ú étant diminué lorsque le courant appliqué est augmenté de telle sorte que le rapport de polarisation p est diminué conformément à l'équation présentée ci-après s = log p Dans cette équation, p est défini par py/px (p = py/px), o px et py sont des intensités de deux lumières présentant des polarisations orthogonales. Comme il ressort de la figure 4, le courant appliqué à la diode laser en GaAIAs 21 s'avère de façon satisfaisante être compris entre 35 et 45 mA. Par conséquent, la plage du rapport d'extinction s est définie par: -10 dB la source de lumière est observé. Dans cette plage, les valeurs les plus appropriées sont e=-5dB, et p = 0,32 en correspondance. En général, la dérive de point zéro AQp est définie par l'équation suivante A.p n'est utilisé. Dans le mode de réalisation particulier, le rapport d'extinction e est faible, c'est-à-dire que la différence des facteurs d'atténuation ou d'amplification entre des polarisations orthogonales de la diode laser en GaAIAs 21 est importante de telle sorte que la dérive de point zéro est faible. Les figures 5A et 5B représentent la comparaison des caractéristiques de dérive statique et de température pour le cas o un polariseur est utilisé comme dans le gyroscope à fibre optique classique et pour le cas o aucun polariseur n'est utilisé mais o la diode laser en GaAIAs 21 présentant une différence de facteur d'atténuation ou d'amplification pour des polarisations orthogonales est utilisée, comme expliqué ci- avant dans le premier mode de réalisation particulier, T indiquant la température et D indiquant la dérive. Lors d'une expérimentation au cours de laquelle les résultats des figures 5A et 5B sont obtenus, la température est est modifiée dans la plage comprise entre -30 et 85 C. Comme il ressort des résultats mentionnés ci-avant, aucune dérive ne se produit à l'exception d'une plage limitée de la variation de température, comme représenté sur la figure 5B. Ceci signifie qu'un gyroscope à fibre optique du premier mode de réalisation particulier est suffisamment adapté pour une mise en oeuvre pratique. Un gyroscope à fibre optique du second mode de réalisation particulier selon l'invention est expliqué en relation avec les figures 6 et 7 sur lesquelles des parties identiques sont repérées au moyen des index de référence identiques à ceux utilisés sur la figure 3. Dans le gyroscope à fibre optique, aucun polariseur n'est utilisé et la longueur L d'une fibre optique 12 depuis son extrémité qui fait face à une lentille de couplage 9 jusqu'à un coupleur optique 2 est établie de manière à être supérieure à 2,564 m moyennant la condition consistant en ce qu'une diode laser en GaAIAs 2 comportant une photodiode PIN 22 en son sein est utilisée pour constituer une source de lumière 10, en ce qu'une fibre optique qui maintient un plan de polarisation d'âme elliptique est utilisée pour constituer la fibre optique 12 et en ce qu'une boucle de détection 5 dans laquelle une longueur d'onde de la diode laser en GaAIAs 21 vaut 0,78!rm est utilisée; une longueur de couplage de la fibre optique qui maintient le plan de polarisation vaut approximativement 2 mm et une distance d'interférence de la source de lumière vaut approximativement 1 mm. Dans le second mode de réalisation particulier, il n'est pas toujours nécessaire que la diode laser en GaAIAs 21 présente la différence de facteur d'atténuation ou d'amplification mentionnée ci-avant pour les deux lumières de polarisations orthogonales du fait que la fibre optique 12 est établie de manière à présenter une longueur prédéterminée mais il est nécessaire qu'un signal lumineux émis depuis la diode laser en GaAIAs 21 arrive en incidence via les lentilles de couplage 9 sur l'extrémité de la fibre optique 12 comprenant une âme elliptique 12A et une couche de gainage 12B selon un angle de 45 par rapport à ses axes de polarisation intrinsèques, comme représenté sur la figure 7. En général, une source de lumière utilisée pour un gyroscope à fibre optique du type interférence présente une cohérence faible et une lumière de sortie de la source de lumière n'est pas une lumière polarisée complètement linéairement. Pour cette raison, un polariseur est utilisé pour produire une lumière polarisée linéairement de telle sorte qu'un bruit d'interférence soit ôté en détectant l'interférence de seulement une lumière polarisée. Dans le second mode de réalisation particulier cependant, aucun polariseur n'est utilisé et une différence de distance qui est supérieure à une distance d'interférence de ".2/A," déterminée au moyen d'une longueur d'onde. de la source de lumière et d'une demi-largeur de spectre AX est assignée entre deux lumières polarisées pour obtenir une relation mutuellement incohérente entre, ce qui permet d'ôter le bruit d'interférence. Dans le second mode de réalisation particulier, la longueur prédéterminée mentionnée ci-avant de la fibre optique 12 est calculée au moyen de l'équation suivante LULb > 12/Ak o "L" est la longueur prédéterminée de la fibre optique 12, "X" est une longueur d'onde du signal lumineux émis depuis la diode laser en GaAIAs 21, "Lb" est une longueur de couplage de la fibre optique 12 et "A," est la demi-largeur. Dans l'équation mentionnée ci-avant, le membre gauche "X. L/Lb" est une différence de distance de propagation entre deux lumières de polarisations orthogonales se propageant au travers de la fibre optique 12 présentant la longueur L et le membre droit "X2/AX" est la distance d'interférence mentionnée ci-avant. Dans les premier et second modes de réalisation particuliers, le gyroscope à fibre optique est du type à boucle ouverte selon le procédé de modulation de phase. Cependant, un gyroscope à fibre optique du type à boucle fermée peut être mis en oeuvre. En outre, un pré-amplificateur qui est normalement utilisé entre la photodiode PIN 22 et le circuit de traitement de signal 8 n'est pas représenté dans les premier et second modes de réalisation particuliers. Bien que l'invention ait été décrite par report à des modes de réalisation spécifiques dans le but d'élaborer une description complète et claire, I'invention n'est pas limitée à ceux-ci mais elle est destinée à englober toutes les modifications et variantes que l'homme de l'art peut envisager pourvu qu'elles tombent dans les enseignements de base mis en exergue ici. REVENDICATIONS 1. Gyroscope à fibre optique comprenant une source de lumière (21) pour émettre un signal lumineux; un coupleur optique (2) pour recevoir ledit signal lumineux destiné à être divisé en des premier et second signaux lumineux et pour recevoir des troisième et quatrième signaux lumineux destinés à être combinés en tant que signal lumineux combiné; une boucle de détection à fibre optique (5) comportant des première et seconde extrémités, lesdits premier et second signaux lumineux étant couplés optiquement auxdites première et seconde extrémités de ladite boucle de détection à fibre optique pour être propagés au travers de ladite boucle de détection à fibre optique dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse et pour être appliqués en tant que dits troisième et quatrième signaux lumineux depuis lesdites première et seconde extrémités; un récepteur de lumière (22) pour recevoir ledit signal lumineux combiné destiné à être converti en un signal électrique, ledit signal lumineux combiné étant transmis au travers de ladite source de lumière et ledit récepteur de lumière étant positionné derrière ladite source de lumière; et un circuit de traitement de signal (8) pour traiter ledit signal électrique pour obtenir une vitesse angulaire de rotation d'un élément tournant conformément à une différence de phase desdits troisième et quatrième signaux lumineux, ledit élément tournant étant lié à ladite boucle de détection à fibre optique, caractérisé en ce que ladite source de lumière présente une différence de facteur d'atténuation ou d'amplification pour deux signaux lumineux de polarisations orthogonales; et ladite boucle de détection à fibre optique est constituée par une fibre optique qui maintient le plan de polarisation. 2. Gyroscope à fibre optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite source de lumière présente un rapport d'extinction e s'inscrivant dans la plage définie par -10 dB 3. Gyroscope à fibre optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite source de lumière présente un rapport de polarisation p s'inscrivant dans une plage définie par 0,1 4. Gyroscope à fibre optique comprenant une source de lumière (21) pour émettre un signal lumineux; une fibre optique (12) pour propager ledit signal lumineux jusqu'à une position prédéterminée, ladite fibre optique présentant une longueur prédéterminée; un coupleur optique (2) pour recevoir ledit signal lumineux appliqué depuis ladite fibre optique pour qu'il soit divisé en des premier et second signaux lumineux et pour recevoir des troisième et quatrième signaux lumineux destinés à être combinés en tant que signal lumineux combiné; une boucle de détection à fibre optique (5) comportant des première et seconde extrémités, lesdits premier et second signaux lumineux étant couplés optiquement auxdites première et seconde extrémités de ladite boucle de détection à fibre optique pour être propagés au travers de ladite boucle de détection à fibre optique dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse et pour être appliqués en tant que dits troisième et quatrième signaux lumineux provenant desdites première et seconde extrémités; un récepteur de lumière (22) pour recevoir ledit signal lumineux combiné appliqué depuis ladite fibre optique pour qu'il soit converti en un signal électrique, ledit signal lumineux combiné étant transmis au travers de ladite source de lumière et ledit récepteur de lumière étant positionné derrière ladite source de lumière; et un circuit de traitement de signal (8) pour traiter ledit signal électrique pour produire une vitesse angulaire de rotation d'un élément tournant conformément à une différence de phase desdits troisième et quatrième signaux lumineux, ledit élément tournant étant lié à ladite boucle de détection à fibre optique, caractérisé en ce que ladite longueur prédéterminée de ladite fibre optique est établie de manière à satisfaire une relation dans laquelle une différence de distance déterminée par ladite longueur prédéterminée et par une différence de phase de deux lumières polarisées orthogonalement propagées au travers de ladite fibre optique est supérieure à une distance d'interférence de ladite source de lumière; et ladite fibre optique et ladite boucle de détection à fibre optique sont constituées par une fibre optique qui maintient le plan de polarisation. 5. Gyroscope à fibre optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite source de lumière et ladite fibre optique sont agencées de telle sorte que ledit signal lumineux arrive en incidence sur ladite fibre optique selon un plan de polarisation décalé de 45 par rapport aux axes intrinsèques de ladite fibre optique.