Brevet FR2699270A1 — publié le 19940617

CAPTEUR OPTIQUE INTEGRE POUR LA DETECTION DE LA VARIATION DE CHEMIN OPTIQUE D'UN FAISCEAU LUMINEUX La présente invention concerne un capteur optique intégré pour la mesure et/ou la détection de la variation du chemin optique d'un faisceau lumineux, comportant un premier guide d'onde pour transmettre un faisceau optique de lumière cohérente à partir d'une entrée connectée à une source optique externe stabilisée en longueur d'onde, des premiers moyens séparateurs interposés sur ledit premier guide d'onde pour générer un faisceau de mesure et un faisceau de référence, des moyens de transmission pour transmettre le faisceau de mesure jusqu'à une sortie connectée à un bras de mesure externe comportant un réflecteur destiné à réfléchir en direction de ladite sortie, une partie du faisceau de mesure de manière à former un faisceau de mesure réfléchi, et des moyens de mesure interférométrique pour faire interférer le faisceau de mesure réfléchi et le faisceau de référence. On connaît déjà des dispositifs réalisés selon des technologies d'optique intégrée capables de mesurer optiquement des déplacements. Un dispositif connu par la publication européenne EP 0 286 528 comporte une source cohérente pour générer un faisceau monochromatique et des moyens pour scinder ce faisceau en un faisceau de mesure et deux faisceaux de référence déphasés pour créer deux voies déphasées. Le fait de devoir utiliser deux voies déphasées complique l'installation et peut tre à l'origine d'erreurs de mesure. De plus, ce dispositif nécessite l'utilisation d'un réflecteur, difficile à réaliser en optique intégré, sur la voie de référence. La présente invention se propose de pallier cet inconvénient en réalisant un capteur simple, efficace et fiable, de construction économique et dont l'utilisation est particulièrement facile. Dans ce but, le capteur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième guide d'onde constituant les moyens de transmission du faisceau de mesure des premiers moyens séparateurs à ladite sortie, un troisième guide d'onde reliant lesdits premiers moyens séparateurs aux moyens de mesure interfërométnque pour transmettre à ceux-ci le faisceau de référence, des seconds moyens séparateurs disposés en amont de ladite sortie, sur le trajet du deuxième guide d'onde pour séparer le faisceau de mesure réfléchi du faisceau de mesure transmis par ledit deuxième guide d'onde, et un quatrième guide d'onde reliant les seconds moyens séparateurs aux moyens de mesure interférométrique pour transmettre à ceux-ci le faisceau de mesure réfléchi. Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de mesure interfërométrique sont pourvus de moyens agencés pour fournir deux signaux électroniques en. quadrature de phase et de moyens pour déduire de ces signaux une mesure de la variation du chemin optique du faisceau de mesure. De préférence le capteur comporte un dispositif affaiblisseur interposé sur le faisceau de référence et ce dispositif affaiblisseur est intégré auxdits premiers moyens séparateurs. D'une façon avantageuse le capteur comporte un dispositif de référence en longueur d'onde couplé à une unité électronique de mesure et de contrôle de la longueur d'onde de la source optique externe. Il comporte également un dispositif de déphasage. De préférence, les moyens de mesure interfërométrique comportent deux organes élargisseurs de faisceaux interposés respectivement sur les troisième et quatrième guides d'onde. Dans la forme de réalisation préférée, le capteur est réalisé par technologie d'optique intégrée dans un bloc. La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'un exemple de réalisation préféré mais non limitatif et aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente un schéma de principe du capteur selon l'invention. La figure 2 représente une forme de réalisation dudit capteur. En référence à la figure 1, le capteur 10 représenté reçoit un faisceau d'entrée provenant d'une source optique externe 11 stabilisée en longueur d'onde, ou qui est susceptible d'tre stabilisée par le capteur lui-mme selon un mode de fonctionnement qui sera décrit ci-dessous. Cette source, qui peut tre une diode laser, est choisie de telle manière que sa longueur de cohérence soit adaptée à la différence de chemin optique mesurée. Le capteur proprement dit comporte un premier guide d'onde 12 pour véhiculer le faisceau incident jusqu'à un diviseur de faisceau 13 qui sépare ce faisceau incident en deux faisceaux 14 et 15 qui seront appelés respectivement faisceau de mesure et faisceau de référence. A la sortie du diviseur 13 le faisceau de référence 15 est acheminé par un deuxième guide d'onde 16 vers une tte de mesure interfërométrique 17. Suivant l'intensité du faisceau on peut disposer sur ce faisceau de référence un affaiblisseur 18, éventuellement contrôlable. Par ailleurs les deux dispositifs diviseur 13 et affaiblisseur 18 peuvent éventuellement tre réunis en un seul composant 19, représenté en traits interrompus. Le composant 19 peut également tre un diviseur en parties inégales du signal lumineux. Le faisceau de mesure 14 est véhiculé par un troisième guide d'onde 20 vers une sortie associée à un bras de mesure 21 externe comportant un dispositif de déphasage facultatif 22, un dispositif de collimation 23 et un réflecteur 24. Après réflexion sur le réflecteur 24 le faisceau de mesure réfléchi traverse un diviseur 25 disposé en amont de la sortie sur le trajet du troisième guide d'onde 20 et destiné à dévier le faisceau réfléchi en provenance du bras de mesure 21. Ce faisceau réfléchi est ensuite dirigé par un quatrième guide d'onde 26 vers la tte de mesure interfërométrique 17. Le dispositif de déphasage 22 est contrôlable. Il a pour but d'améliorer les performances du capteur en augmentant le rapport signal/bruit. Il permet en fait de compenser le décalage des franges d'interférence, dû par exemple à un déplacement du réflecteur 24 pour des mesures de déplacement par systèmes automatiques bouclés. Le dispositif de collimation 23 est constitué par une lentille classique ou une lentille à gradient d'indice. Le réflecteur 24 est constitué par un miroir à face réfléchissante plane ou courbe, une lentille dont une face est revetue d'un film d'aluminium, ou par tout autre dispositif assurant la réflexion du faisceau incident. Le diviseur 25 a, de préférence, un taux de division de 50 %. La tte de mesure interfërométrique 17 est avantageusement du type intégré et comprend deux voies optiques d'entrée, constituées respectivement par les deuxième et quatrième guides d'onde 16 et 26, sur lesquelles sont interposés respectivement deux élargisseurs de faisceaux pour étaler et créer des fronts d'onde plans susceptibles de créer une figure d'interférence dans une zone d'interférence de ces faisceaux. Accessoirement, un dispositif de référence en longueur d'onde 27 peut tre placé à l'entrée du capteur pour permettre la stabilisation en longueur d'onde de la source optique externe 11. Il opère a. l'aide d'une partie du faisceau d'entrée, par exemple par absorption ou par dispersion chromatique. Ce dispositif de référence 27 est couplé à une unité électronique 28 de mesure et de contrôle de la longueur d'onde de la source optique 11 et transforme les variations de longueur d'onde de la source en variations d'amplitude. L'unité électronique 28 convertit les signaux optiques en un signal électronique de contrôle de la longueur d'onde de la source. Le principe de fonctionnement de ce capteur est le suivant. La lumière incidente est divisée en deux parties par le diviseur 13. Une partie appelée faisceau de référence 15 est directement dirigée vers la tte de mesure interfërométrique 17. L'autre partie est dirigée vers le bras de mesure 21. Après réflexion et passage par le diviseur 25, qui peut tre rendu mobile, une partie du faisceau rejoint la tte de mesure interfërométrique 17 pour interférer avec le faisceau de référence. La fonction du déphaseur 22 qui est optionnel, est de compenser un décalage, de moduler le signal afin d'effectuer par exemple une détection synchrone ou de mesurer des fluctuations d'indice. Ce capteur peut tre utilisé pour la mesure des variations de chemin optique. En particulier, dans un milieu d'indice constant, il permet de mesurer le déplacement d'un objet lié au réflecteur 24. Ces déplacements peuvent tre des translations selon l'axe optique du bras de mesure, des déplacements obliques par rapport à cet axe ou des rotations par rapport à un axe ne passant pas par l'axe optique du bras de mesure. Dans la pratique, le capteur tel que représenté par la figure 2 se compose, par exemple, d'un bloc 30 constitué par un substrat en verre dopé, par exemple par traitement sélectif au moyen de bains de nitrate de potassium ou d'argent ou de sulfate de thallium ou par un substrat en silice dopée déposée sur un support en silicium. Il est réalisé selon une technologie d'optique intégrée. Sur ce bloc 30 sont préparés, au moyen de masques appropriés et par des techniques de gravure bien maîtrisées dans le domaine de la photolithographie, les différents guides d'ondes véhiculant respectivement le faisceau de référence, le faisceau de mesure, le faisceau de mesure réfléchi, la tte de mesure interférométrique, les diviseurs et, le cas échéant, le dispositif de référence 27 qui peut tre un interféromètre de Mach-Zehnder intégré. Les organes élargisseurs de faisceau de la tte de mesure interfërométrique sont de préférence des lentilles planaires, ou tout autre dispositif permettant d'obtenir des fronts d'onde sensiblement plans. A titre indicatif, la largeur des voies optiques 16,26 dans la partie confinée, en amont des organes élargisseurs, est de l'ordre de 6 à 8 gm et leur dimension transversale dans la partie large 31,32, en aval des organes élargisseurs, est sensiblement comprise entre 0,10 mm et 1 mm. Les élargisseurs étendent les faisceaux, ce qui permet de créer une figure d'interférence. Grâce à l'étalement du faisceau, toute variation du déphasage provoque un décalage de toute la figure d'interférence. L'écartement spatial des franges est défini par la longueur d'onde des signaux d'entrée et par l'angle que font entre eux les fronts d'onde des faisceaux élargis. Contrairement à ce qui se produit avec des guides d'ondes constitués par des fibres optiques individuelles dont le positionnement est souvent peu précis, les guides, réalisés selon une technologie d'optique intégrée, sont parfaitement fixes et 1'angle précité est extrmement précis. En effet, le positionnement des guides est défini par la géométrie du masque qui a servi à les réaliser. Pour un angle très petit, les franges d'interférence sont très écartées et pour un angle plus grand, les franges sont plus serrées. Sur la face de sortie du bloc et dans la zone d'interférence, sont fixés deux détecteurs 33 qui sont, par exemple, constitués de deux photodiodes dont la longueur correspond à une demifrange et espacées d'un quart de frange pour obtenir deux signaux électroniques en quadrature de phase. Les détecteurs sont avantageusement réalisés sur un mme substrat semi-conducteur. La réalisation du capteur en optique intégrée monolithique assure une grande insensibilité aux chocs et aux vibrations grâce à l'excellente stabilité mécanique du substrat. De plus, la reproductibilité de fabrication est excellente car le positionnement des éléments sensibles, en particulier ceux de la tte interfërométrique autre que les détecteurs, est obtenu par des procédés planaires de micro-électronique parfaitement maîtrisés. Les avantages du dispositif sont nombreux. On notera tout d'abord ceux qui sont inhérents à l'optique intégrée, à savoir le fait qu'il est insensible aux vibrations, compact, facile à réguler en température, et qu'il peut tre fabriqué en série. Par ailleurs, il est avantageux en ce qu'il résiste aux parasites électromagnétiques. La sortie des informations a lieu de façon non colinéaire à la direction d'injection de la lumière sur le composant, évitant ainsi une partie importante de l'éclairage parasite pouvant"éblouir"les détecteurs. La structure proposée n'utilise pas d'éléments réflecteurs qui sont d'une réalisation délicate en optique intégrée. Il en résulte une simplicité de réalisation pouvant conduire à un abaissement conséquent du coût de production de ce type de dispositif. Le bras de mesure 21 assure une fonction de filtrage spatial de la lumière. L'information optique n'est séparée, pour créer les signaux en quadrature, qu'après passage dans l'air, assurant une stabilité du déphasage entre ces signaux quelles que soient les perturbations de l'air. REVENDICATIONS 1. Capteur optique intégré pour la mesure et/ou la détection de la variation du chemin optique d'un faisceau lumineux, comportant un premier guide d'onde (12) pour transmettre un faisceau optique de lumière cohérente à partir d'une entrée connectée à une source optique externe (11) stabilisée en longueur d'onde, des premiers moyens séparateurs (13) interposés sur ledit premier guide d'onde (12) pour générer un faisceau de mesure (14) et un faisceau de référence (15), des moyens de transmission (20) pour transmettre le faisceau de mesure jusqu'à une sortie connectée à un bras de mesure externe (21) comportant un réflecteur (24) destiné à réfléchir en direction de ladite sortie une partie du faisceau de mesure de manière à former un faisceau de mesure réfléchi, et des moyens de mesure interferométrique (17) pour faire interférer le faisceau de mesure réfléchi et le faisceau de référence, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième guide d'onde (20) constituant les moyens de transmission du faisceau de mesure des premiers moyens séparateurs (13) à ladite sortie, un troisième guide d'onde (16) reliant lesdits premiers moyens séparateurs (13) aux moyens de mesure interfCrométrique (17) pour transmettre à ceux-ci le faisceau de référence (15), des seconds moyens séparateurs (25) disposés en amont de ladite sortie, sur le trajet du deuxième guide d'onde (20) pour séparer le faisceau de mesure réfléchi du faisceau de mesure transmis par ledit deuxième guide d'onde (20), et un quatrième guide d'onde ( (26) reliant les seconds moyens séparateurs (25) aux moyens de mesure interfërométrique (17) pour transmettre à ceux-ci le faisceau de mesure réfléchi. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure interférométrique (17) sont pourvus de moyens agencés pour fournir deux signaux électroniques en quadrature de phase et de moyens pour déduire de ces signaux une mesure de la variation du chemin optique du faisceau de mesure (14). 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif affaiblisseur (18) interposé sur le faisceau de référence (15). 4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif affaiblisseur (18) est intégré auxdits premiers moyens séparateurs (13). 5. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de référence en longueur d'onde (27) couplé à une unité électronique (28) de mesure et de contrôle de la longueur d'onde de la source optique externe (11). 6. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de déphasage (22). 7. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure interfrométrique (17) comportent deux organes élargisseurs de faisceaux interposés respectivement sur les troisième (16) et quatrième (26) guides d'onde. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est réalisé par technologie d'optique intégrée dans un bloc (30).