EP1387997A1 - Device for measuring a non-reciprocal effect, in particular fibre-optic gyro - Google Patents
Device for measuring a non-reciprocal effect, in particular fibre-optic gyroInfo
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- EP1387997A1 EP1387997A1 EP02735538A EP02735538A EP1387997A1 EP 1387997 A1 EP1387997 A1 EP 1387997A1 EP 02735538 A EP02735538 A EP 02735538A EP 02735538 A EP02735538 A EP 02735538A EP 1387997 A1 EP1387997 A1 EP 1387997A1
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Classifications
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- G—PHYSICS
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- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
- G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
- G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
Definitions
- the invention relates to the field of devices for measuring a non-reciprocal effect, and in particular to the field of fiber optic gyros.
- the invention can also be applied to other types of devices for measuring a non-reciprocal effect, such as for example at a fiber optic magnetometer.
- the fiber optic gyrometer of this prior art comprises several optical elements among which, a light source, a light detector, a single-mode spatial filter, a Sagnac ring having two branches, two light separators, said optical elements being arranged in such a way that, on the one hand, a first part of the light emitted by the source can successively pass through the first separator, through the filter, through the second separator, enter through the first branch of the ring to emerge by the second branch of the ring, pass by the second separator, by the filter, by the first separator, and arrive on the detector, and on the other hand a second part of the light emitted by the source can successively pass through the first separator, through the filter, through the second separator, enter through the second branch of the ring to exit through the first branch of the ring, pass er by the.
- the second separator by the filter, by the first separator, and arrive at the detector, said optical elements being structured and arranged in such a way that the light which comes from the source and which arrives at the second separator before being passed through the Sagnac ring, is polarized light.
- the second separator is a semi-reflective strip.
- the single-mode spatial filter is polarizing, being constituted by the association of a single-mode spatial filter proper and a polarizer.
- FIG. 1 schematically represents an example of a fiber optic gyrometer according to the prior art.
- the path of the light beams is indicated in Figure 1 by means of arrows.
- a laser light source 1 emits a laser beam.
- This laser beam arrives on a first light separator 4 which is a semi-reflecting plate, only part of the laser beam passing through the first light separator 4 in the direction of the polarizer 51.
- the laser beam then crosses (the polarizer 51 and leaves it polarized in a given polarization direction.
- the laser beam is focused by a lens L on an input of an optical fiber 52 constituting the single mode spatial filter itself.
- the laser beam passes through a lens L to arrive at a second light separator 6 which is a semi-reflecting plate.
- the laser beam is split into two substantially equal parts, each part being focused on one of the inputs 81 or 82 of the Sagnac ring 8 which is a spool of optical fiber.
- the direction of light flow from branch 81 to branch 82 is called cw (for "clockwise” in English terminology o-Saxon) and the direction of light circulation from branch 82 to branch 81 is called ccw (for “counter clockwise” in English terminology).
- the branch 82 for example, includes a phase modulator 9.
- the two parts of the laser beam pass through the second separator 6, only in part, to superimpose themselves into a laser beam focused by a lens L on one end of the optical fiber 52.
- the laser beam passes through a lens L, then the polarizer 51, the association of the optical fiber 52 and the polarizer 51 constituting a polarizing single-mode spatial filter 5.
- a part of the laser beam which is now again polarized in the initial direction of polarization given is reflected by the first separator 4 in the direction of the detector 2. Thanks to the phase modulation carried out by the modulator 9 phase, the signal detected by the detector 2 is representative of the Sagnac effect, therefore of the speed of rotation to which the fiber optic gyrometer is subjected, and usable.
- phase modulator 9 used in the optical fiber gyrometer of this prior art is too complex and too expensive.
- the invention proposes a new structure of a device for measuring a non-reciprocal effect in general and of a fiber optic gyrometer in particular.
- This new structure differs from the structure of the prior art by several characteristics, among which are: the elimination of the phase modulator; the use, as second separator, of a polarization separator; the use, on the light return path between the Sagnac ring and the detector, of a single-mode spatial filter which is non-polarizing; the use of a particular type of detector, capable of analyzing the state of polarization of the return light signal, which state of polarization is representative of the Sagnac effect, therefore of the non-reciprocal effect to which the device is subjected of measurement according to the invention in general or of the speed of rotation to which the optical fiber gyrometer according to the invention is subjected in particular.
- a device for measuring a non-reciprocal effect comprising, a light source, a single-mode spatial filter, a Sagnac ring having two branches, a light separator distributing the light over the branches of the ring, a light detector, characterized in that the separator is a polarization separator, in that the filter is non-polarizing, and in that the detector comprises a polarization state analysis system.
- a device for measuring a non-reciprocal effect comprising several optical elements among which, a light source, a light detector, a single-mode spatial filter, a Sagnac ring having two branches , two light separators, said optical elements being arranged so that, on the one hand, a first part of the light emitted by the source can successively pass through the first separator, through the filter, through the second separator, enter through the first branch of the ring to come out through the second branch of the ring, go through the second separator, through the filter, through the first separator, and arrive at the detector, and on the other hand a second part of the light emitted by the source can successively pass through the first separator, through the filter, through the second separator, enter through the second branch of the ring to exit through the first branch of the ring, pass through the second separator, through the filter, through the first separator, and arrive at the detector, said optical elements being structured and arranged in such a way that the light
- FIG. 1 schematically shows an example of a fiber optic gyrometer according to the prior art
- FIG. 2 schematically shows an example of a fiber optic gyrometer according to the invention
- FIG. 3 and 4 schematically represent examples of diagrams explaining the operating principle of a fiber optic gyrometer according to the invention
- FIG. 5 and 6 schematically represent examples of diagrams explaining the operating principle of a partial polarization splitter used as the first light splitter in the fiber optic gyrometer according to the invention
- - Figure 7 shows schematically an example of detector used in a fiber optic gyrometer according to the invention.
- the device for measuring a non-reciprocal effect is a fiber optic gyrometer.
- This fiber optic gyrometer is advantageously used in an aeronautical gyroscope.
- This aeronautical gyroscope then preferably constitutes the secondary gyroscope or one of the secondary gyroscopes of the aircraft.
- the presence of one or more secondary gyroscopes constitutes security on an aircraft, in particular in the event of failure of the main gyroscope.
- the measuring device according to the invention can also in particular be a magnetometer, advantageously with optical fiber, making it possible to detect and measure the Faraday effect induced in an optical fiber by an electric current flowing near the optical fiber.
- the device for measuring a non-reciprocal effect which will be considered will be a gyrometer, this gyrometer advantageously being a fiber optic gyrometer.
- the additional characteristics described in the following text can nevertheless also apply to other devices than the fiber optic gyrometer, measuring other non-reciprocal effects than the Sagnac effect caused by the speed of the rotation to which it is subjected. the measuring device; among these other effects, there are in particular the magneto-optical effects induced in a loop.
- FIG. 2 schematically represents an example of a fiber optic gyrometer according to the invention.
- the path of the light beams is indicated in Figure 2 by means of arrows.
- the fiber optic gyrometer includes in particular the following elements: a light source 1; a polarizer 51; a light detector 3; a first light separator 4; a non-polarizing single-mode spatial filter 52; a second light splitter 7 which is a polarization splitter; a Sagnac ring 8 having two branches 81 and 82.
- the light source 1 emits light advantageously in the form of a light beam.
- This light beam can be a laser beam or it is preferably a light beam coming from an incoherent source with very high luminance such as a superluminescent diode.
- This light beam arrives polarized on a first light separator 4. For this, either the source 1 directly emits polarized light, or a polarizer 51 is located between the source 1 and the first separator 4.
- this light separator 4 is structured so that a substantial part of the light coming from the source 1 passes through the first separator 4 in order to undergo the Sagnac effect during its passage through the ring 8 from Sagnac.
- this light separator 4 is structured so that a substantial part of the light having passed through the Sagnac ring 8, is reflected by the first separator 4 in the direction of the detector 3 in order to be analyzed by the detector 3.
- the first separator 4 is of the partially reflecting plate type. However in the case of an all-fiber gyrometer, this first separator 4 would for example be an optical fiber coupler.
- FIG. 2 represents as a propagation in free mode
- this first separator 4 would for example be an optical fiber coupler.
- lenses L for passing from free propagation to guided propagation by optical fiber, but in the case of an all-fiber gyrometer or else a gyrometer in integrated optics, these lenses L would become superfluous. These lenses L are present at each change between the modes of free propagation on the one hand and guided by optical fiber on the other hand.
- Each lens L can optionally be replaced by a combination of lenses. The lenses L will practically no longer be mentioned in the following description of FIG. 2.
- the light beam then passes through the non-polarizing single-mode spatial filter 52.
- the light beam no longer consists substantially of only one spatial mode but not necessarily of a single rectilinear polarization: this is only in the case of zero speed of rotation does this single spatial mode only comprise a rectilinear polarization generally corresponding to the polarization of the light emitted by the source 1.
- the single-mode spatial filter 52 is advantageously a section of axiosymmetric single-mode optical fiber.
- the light beam arrives on a second light splitter 7 which is a polarization splitter.
- the second light separator 7 is a polarization separator which can be total or partial.
- the second light separator 7 is preferably a total polarization separator, that is to say it sends into one of the branches, for example the branch 81, one of the determined polarizations constituting the light beam while that he sends simultaneously to the other branch, for example the branch - 82, the
- the separator 7 is total insofar as each polarization is complement separate from the complementary polarization.
- the separator 7 is for example a Wollaston prism.
- the Sagnac ring 8 is preferably a reel of optical fiber.
- the direction of light circulation from branch 81 to branch 82 is called cw (for “clockwise” in English terminology) and the direction of circulation of branch 82 towards branch 81 is called ccw (for “counter clockwise "In Anglo-Saxon terminology).
- the ring 8 of Sagnac is structured so that the light entered by one of the branches while being polarized according to one of the determined polarizations emerges from the other branch with a substantially non-zero power according to the other determined polarization.
- a substantially non-zero power, corresponding to a non-faded signal, is sufficient power for the light arriving on the detector 3 to be usable.
- the branch 82 for example, advantageously comprises a depolarizer 10 of Lyot.
- the two parts of the light beam pass through the second separator 7, in part only, in order to be superimposed on a light beam which then passes through, that is to say here passes through, the single-mode spatial filter 52.
- the single-mode spatial filter 52 On leaving the single-mode spatial filter 52, the single-mode light beam arrives at the level of the first separator 4 of light, the other modes having been filtered. Part of this light beam is reflected by the first separator 4 towards the detector 3.
- the polarization state of the light beam reflected by the first separator 4 towards the detector 3 is representative of the Sagnac effect, and therefore of the speed of rotation to which the fiber optic gyroscope is subjected. This is why the detector 3 includes a system for analyzing the state of polarization of the light beam arriving at the same detector 3.
- a first part of the light beam emitted by the source 1 passes successively through the first separator 4, through the single-mode spatial filter 52, through the polarization separator 7, enters through the branch 81 of the Sagnac ring 8 to exit through the branch 82 of the Sagnac ring 8, passes through the polarization splitter 7, through the single-mode spatial filter 52, through the first splitter 4, and arrives at the detector 3.
- a second part of the light beam emitted by the source 1 passes successively through the first separator 4, through the single-mode spatial filter 52, through the polarization separator 7, enters through branch 82 of ring 8 of Sagnac to exit through branch 81 of ring 8 of Sagnac, passes through the polarization splitter 7, through the single-mode spatial filter 52, through the first splitter 4, and arrives at the detector 3.
- the light beam which comes from the source 1 and which arrives at the polarization splitter 7 before d ' be passed through the Sagnac ring 8, is a polarized light beam that was polarized during its passage at the polarizer 51.
- the polarization splitter 7 separates, totally or partially, but preferably completely, the incident light according to two determined polarizations.
- the polarization splitter 7 is advantageously a rectilinear polarization splitter separating for example the horizontal and vertical polarizations of a light beam preferably polarized at 45 degrees by the polarizer 51.
- the light beam, on its arrival at the polarization splitter 7, is made up of half in terms of energy, of a component according to the horizontal polarization and a component according to vertical polarization.
- the polarization splitter 7 can also be a circular polarization splitter then separating the left circular and right circular polarizations of a light beam which comprises these two polarizations in energy proportions advantageously substantially equal to each other.
- the polarizer 51 being located upstream of the first separator 4, the fiber optic gyrometer does not include a polarizer on the light path going from the polarization separator 7 to the detector 3.
- the detector 3 comprises a system for analyzing the polarization state of the light beam which arrives at the detector 3 and which is constituted by the superposition of the first and the second parts of the light beam described above. The polarization state of this light beam arriving on the detector 3 is representative of the Sagnac effect, therefore of the speed of rotation to which the fiber optic gyrometer is subjected.
- the measurement device could comprise either two single-mode spatial filters respectively placed on the one hand between the source 1 and the first separator 4 and on the other hand between the first separator 4 and the detector 3, but the constraints on the difference between the respective alignments of each single-mode spatial filter as well as of the two branch inputs of the ring 8 of Sagnac relative to the path of the light beam would be more severe, that is to say two single-mode spatial filters respectively placed on the one hand between the polarization splitter 7 and the branch 81 and on the other hand between the polarization splitter 7 and the branch 82, but the signal arriving then on the detector 3 is less easily exploitable.
- one of the polarizations for example the horizontal polarization
- the other polarization that is to say the complementary polarization, here the vertical polarization
- the light having passed through the polarization splitter 7 after passing through ring 8 of Sagnac has a reciprocal component and a non-reciprocal component representative of the non-reciprocal effect to be measured.
- the non-reciprocal component is found on the same optical path as the reciprocal component, that is to say ultimately also arrives on the detector 3 just like the reciprocal component, but according to a polarization orthogonal to that of the component reciprocal.
- FIGS. 3 and 4 schematically represent examples of diagrams explaining the operating principle of a fiber optic gyrometer according to the invention corresponding to the preferential case of light polarized at 45 degrees on its arrival on the separator 7 of polarization before being passed through the Sagnac ring 8.
- the Sagnac ring 8 is considered to include a Lyot depolarizer 10 at one of its branches.
- the H and V axes respectively represent the horizontal and vertical polarizations.
- the light beam f is separated by the polarization separator 7 in its two components, on the one hand the horizontal component fh which is sent in the branch 81 to traverse the ring 8 of Sagnac in the direction cw and which is represented in 31, and on the other hand the vertical component fv which is sent in the branch 82 to traverse the ring 8 of Sagnac in the direction ccw and which is represented at 32.
- the light beam traversing the ring 8 of Sagnac in the direction cw will be for the sake of simplicity called the beam cw and the light beam traversing the ring 8 of Sagnac in the direction cw will be for the sake of simplicity called the beam cw.
- the non-reciprocal components of the light beams cw and ccw are not considered at the level of FIG. 3 for the sake of simplicity, they will be considered at the level of FIG. 4.
- the energy of the light beam cw is distributed along two polarization components, a horizontal polarization component rh and a vertical polarization component rv, components which are shown at 33 ..
- a horizontal polarization component rh and a vertical polarization component rv, components which are shown at 33 .
- the vertical polarization component rv of the light beam cw, shown at 35 is returned in the direction of the single-mode spatial filter 52.
- the energy of the light beam ccw is distributed according to two polarization components, a horizontal polarization component rh and a vertical polarization component rv, components which are represented at 34.
- a horizontal polarization component rh and a vertical polarization component rv, components which are represented at 34.
- the horizontal polarization component rh of the light beam ccw shown at 36, is returned in the direction of the single-mode spatial filter 52.
- the light beam leaving in the direction of the single-mode spatial filter 52 consists of the recombination on the one hand of the vertical polarization component rv of the light beam cw and on the other hand of the polarization component horizontal rh of the ccw light beam.
- This light beam r constitutes the reciprocal component r of the total light beam going back to the single-mode spatial filter 52 and is represented at 37.
- FIG. 4 represents on the same plane, the plane of FIG. 4, both the reciprocal component r and the non-reciprocal component nr of the total light beam returning to the single-mode spatial filter 52.
- the reciprocal component r and the reciprocal component nr are phase shifted by ⁇ / 2, they are not strictly speaking therefore not in the same phase plan.
- the component of horizontal polarization rh of the reciprocal component r gives rise to a component of horizontal polarization nrh of the non-reciprocal component nr, phase shifted by ⁇ r / 2 by relation to the non-reciprocal component nr but in the same direction as this one.
- the vertical polarization component rv of the reciprocal component r gives rise to a vertical polarization component nrv of the non-reciprocal component nr, phase shifted by ⁇ / 2 with respect to the non-reciprocal component nr but of opposite direction to it.
- the non-reciprocal component nr is therefore orthogonal to it.
- the ellipticity of the total light beam returning to the single-mode spatial filter 52 is representative of the non-reciprocal effect to be measured, namely the Sagnac effect, just like the ellipticity of the light beam arriving on the detector 3.
- Operation described above corresponds to the case of a total polarization splitter 7 and of a light coming from the source 1 polarized at 45 degrees when it arrives at the polarization splitter 7 before it passes through the ring 8 of Sagnac.
- the operation remains similar for other types of polarization of the light emitted by the source 1 and / or other types of polarization splitters 7, in particular those described later.
- the polarization splitter 7 may not be total and may only be partial. In this case, the polarization splitter partially separates the incident light according to the two determined polarizations.
- the main portion of the incident light which represents the most important part of the incident light, which corresponds to the complementary polarizations separated from one another by the polarization splitter 7, which has passed through the ring 8 of Sagnac then again by the polarization splitter 7, is called the main component.
- the main component comprising a reciprocal component and a non-reciprocal component representative of the non-reciprocal effect to be measured.
- the residual portion of the incident light which represents the least important part of the incident light, which corresponds to the polarization or polarizations which are not separated from their respective complementary polarization by the polarization splitter, which has passed through the ring of Sagnac then by the polarization splitter, is called the parasitic component (s).
- the parasitic component (s) also include a reciprocal part and a non-reciprocal part, but this is of no interest. In this case, all the phase shifts, between the parasitic component or components and the main component, said phase shifts being defined with respect to the main component overall since the phase shift between the reciprocal component and the non-reciprocal component is negligible on the scale.
- phase shifts are preferably greater than the inverse of the spectral width of the light source, so that the parasitic component or components do not interfere with the main component.
- said phase shifts are greater than the inverse of the spectral width of the light source, by a factor of at least a few units.
- birefringent elements such as for example a single-mode optical fiber, a polarization-maintaining optical fiber or a Lyot depolarizer
- a given spectral component of the stray light propagates while remaining orthogonal to the same given spectral component of the main light.
- the relative phase of these two spectral components given to each other can be arbitrary at their respective exit from the Sagnac ring 8, and the interference that these two given spectral components will generate, when they are superimposed after crossing the partial separator 7 of polarization, can be arbitrarily constructive or destructive. In addition, this relative phase is dependent on the spectral component considered.
- phase shifts mentioned above fulfill the condition of being sufficiently greater than the inverse of the spectral width of the light source 1.
- the sum of the differences in optical paths between main light and stray light due to the different birefringences encountered by the light on its path is advantageously chosen to be sufficiently greater than the coherence length of the light source 1.
- the polarization splitter 7 is total but the polarized light coming from the light source 1 is not polarized at 45 degrees, ie ⁇ the difference between the polarization angle of this polarized light and 45 degrees, this angle is taken into account at the level of the detector 3.
- the signal received on the detector 3 can be used in a similar manner, except for a simple factor Cos ⁇ which reduces the ellipticity measured by the detector 3 for the light beam it receives.
- the polarization splitter 7 is total, that is to say that it totally separates the incident light according to the two determined polarizations, in order to prevent the formation of a quantity sufficient stray light whose interference with the main light would substantially degrade the signal received by the detector 3 so as to then prevent the extraction of the non-reciprocal component representative of the non-reciprocal effect to be measured by the measuring device according to the 'invention.
- the polarized light coming from the light source 1 and arriving on the polarization splitter 7 is a light polarized substantially at 45 degrees so that the light energy flowing in each of the directions cw or ccw in the ring 8 of Sagnac is substantially the same.
- the polarization splitter 7 therefore separates, partially or preferably completely, two complementary polarizations. These two complementary polarizations can be respectively a left circular polarization and a right circular polarization. These two complementary polarizations can also be respectively a given elliptical polarization and an elliptical polarization orthogonal to the given elliptical polarization. These two complementary polarizations are preferably a given linear polarization, for example a horizontal polarization, and a linear polarization orthogonal to the given polarization, for example a vertical polarization.
- the polarization splitter 7 is then a straight polarization splitter.
- the light source 1 then advantageously emits polarized light substantially at 45 degrees from the polarization splitter 7 axes.
- the total preferential polarization separator 7 is for example a Wollaston prism.
- the single-mode spatial filter 52 is preferably a section of axiosymmetric single-mode optical fiber, allowing only one spatial mode to pass but allowing the two components of horizontal and vertical polarization of this spatial mode to pass.
- the single-mode spatial filter 52 does not introduce significant birefringence, even if this birefringence has only little influence on the signal arriving on the detector 3 insofar as this birefringence has no effect on this signal in the first degree.
- the Sagnac ring 8 is an optical fiber with polarization maintenance structured so that, from one branch to another, the light according to one of the polarizations determined is transformed into light according to the other complementary determined polarization.
- the means of transforming the polarization is for example a simple twist of the optical fiber or else a few bends of the optical fiber.
- the horizontally polarized light entering the ring 8 of Sagnac by the branch 81 comes out through the branch 82 while being vertically polarized and the vertically polarized light entering the ring 8 of Sagnac by the branch 82 comes out through the branch 81 while being horizontally polarized.
- This embodiment prevents any fading of the signal thanks to the presence of the polarization maintaining optical fiber in which the signal cannot switch from one polarization to another during its propagation in the Sagnac ring 8 because the speeds respective propagation of the different polarizations in the polarization maintaining fiber are different.
- one of the branches of the ring 8 of Sagnac comprises a depolarizer 10 of Lyot.
- the optical fiber constituting the Sagnac ring 8 can be an ordinary optical fiber.
- the presence of the Lyot depolarizer ensures that at the outlet of each branch of the ring 8 of Sagnac, the light is distributed substantially partly and advantageously for half in horizontal polarization, that is to say in a component of horizontal polarization and partly and advantageously for half in vertical polarization, that is to say in a vertical polarization component.
- the first separator 4 is a partial polarization separator structured so as to increase, at the level of the polarization state of the light signal arriving at the detector 3, the ratio between the polarization complementary to the polarization emitted by the source and the polarization emitted by the source.
- Partial polarization splitters are known in the field of magneto-optical detection.
- the use of such a first partial polarization separator 4 has two advantages.
- the first advantage is that on the way out, that is to say on the path from source 1 of light to ring 8 of Sagnac, most of the light passes through the first partial separator 4 of polarization to continue towards the ring 8 of Sagnac, and not only the half as in the case of a semi-reflecting plate constituting the first separator 4.
- the second advantage is that on the return, that is to say on the path going from the ring 8 of Sagnac towards the detector 3, a significant part of the light returning to the first partial polarization splitter 4 and being according to the polarization emitted by the source 1 is returned in a direction which is not that of the detector 3, while the light returning to the first splitter 4 partial polarization and being according to the polarization complementary to the polarization emitted by the source 1, that is to say representative of the non-reciprocal effect, is largely returned towards the detector 3.
- the ellipticity of the light beam arriving at the detector 3 is clearly amplified, for example by a factor of three as in FIGS. 5 and 6.
- FIGS. 5 and 6 schematically represent examples of diagrams explaining the operating principle of a partial polarization splitter used as the first light splitter 4 in the fiber optic gyrometer according to the invention.
- the H and V axes respectively represent the horizontal and vertical polarizations.
- the light beam After passing through the Sagnac ring 8 and arriving at the first partial polarization splitter 4, the light beam has an elliptical polarization state whose value a of the major axis is representative of the reciprocal component while the value b of the minor axis is representative of the non-reciprocal component.
- the ellipticity of this state of polarization which is represented in figure 5 is worth b / a.
- the light beam has passed through a first partial polarization splitter 4 and when the light beam arrives at the detector 3, the light beam has an elliptical polarization state whose value a 'of the major axis is representative of the component reciprocal while the value b of the minor axis is representative of the non-reciprocal component.
- the value a 'being less than the value a, the ellipticity of this state of polarization which is represented in FIG. 6 is worth b / a' and is therefore greater, which makes said ellipticity more easily detectable at the level of the system d polarization state analysis included in the detector 3.
- the polarization state analysis system that the detector 3 comprises is preferably a system for analyzing the ellipticity of the light beam arriving on the detector 3, in the preferential case where the polarization splitter 7 is a rectilinear polarization splitter.
- the detector 3 preferably comprises a quarter wave plate which is variable as a function of time, the axes of birefringence of which are fixed, of which one of the axes of birefringence is parallel to the polarization emitted by the source, and of which each of the axes of birefringence alternately becomes slow or fast.
- the sense of ellipticity of the state of polarization of the light beam arriving on the detector 3, representative of the non-reciprocal effect to be measured in general! and the direction of rotation in the case of a fiber optic gyrometer in particular can be determined in this way.
- the quarter wave plate is preferably an elasto-optical modulator.
- This elasto-optical modulator is for example constituted by an isotropic medium of the glass or plastic type compressed by piezoelectric elements. A compression force of a few kilograms per millimeter can then be enough to create a 90 degree birefringence.
- the detector 3 successively comprises, downstream of the quarter-wave plate, an analyzer at 45 degrees from the quarter-wave plate, that is to say say whose axes are 45 degrees from the axes of the quarter-wave plate, an elementary photoelectric detector receiving one of the components of the analyzed light signal, synchronous detection means performing at the level of the output of the elementary photoelectric detector the subtraction between the series of high values of the signal and the series of low values of the signal, the values subtracted two by two being on the one hand one high and the other low and on the other hand contiguous between them, the mean value of the results of the subtraction being representative of the non-reciprocal effect.
- the detector 3 successively comprises, downstream of the quarter-wave plate, an analyzer at 45 degrees from the quarter-wave plate, two elementary photoelectric detectors each receiving one of the components of the analyzed light signal, a differential amplifier capable of performing the subtraction between the two signals respectively from the elementary photoelectric detectors, synchronous detection means performing at the output of the differential amplifier the subtraction between the series of high values of the signal and the series of low values of the signal, the values subtracted two by two being on the one hand one high and the other low and on the other hand contiguous between them, the average value of the results of the subtraction being representative of the non-reciprocal effect.
- the bias possibly brought by the use of a differential amplifier is eliminated by the use of synchronous detection means.
- the use of two elementary photoelectric detectors is advantageous insofar as it allows the signal-to-noise ratio to be increased.
- the detector 3 comprises, immediately upstream of the synchronous detection means, means for digitizing the electrical signal, which makes it possible not to introduce bias at the level of the synchronous detection means which will be done digitally.
- FIG. 7 schematically represents an example of detector 3 used in a fiber optic gyrometer according to the invention, corresponding to the other preferred embodiment of detector 3.
- the light beam After having passed through the first light separator 4, and having been returned towards of the detector 3 represented as a whole in FIG. 7, the light beam has a polarization state consisting of a reciprocal component r1 and a non-reciprocal component nr1 phase shifted by ⁇ / 2 with respect to the reciprocal component r1, in the preferential case of a total polarization separator 7 and of a light polarized at 45 degrees on its arrival on the total polarization separator 7 before it passes through the ring 8 of Sagnac.
- the light beam passes through an elasto-optical modulator 71 controlled by control means 70.
- the state of polarization of the light beam is constituted by a reciprocal component r2 parallel to the reciprocal component r1 and by a non-reciprocal component nr2 parallel to the non-reciprocal component nr1.
- the reciprocal r2 and non-reciprocal nr2 components are now in phase because their phase shift has been eliminated by the elasto-optical modulator 71 which has alternately delayed and advanced the non-reciprocal component with respect to the reciprocal component, since the axes of the modulator 71 are parallel to the axes of the ellipse constituting the elliptical polarization state of the light beam before it crosses the modulator 71.
- the elliptical polarization state has become a polarization state which oscillates alternately between two rectilinear polarizations having the same reciprocal component but non-reciprocal components of opposite sign.
- the value of this oscillation is therefore representative of the ellipticity of the light beam arriving on the detector 3 and therefore of the non-reciprocal effect to be measured.
- the light beam then passes through an analyzer 72 at 45 degrees from the modulator 71.
- the projections of the previous oscillation on each of the axes of the analyzer 72 are representative of the non-reciprocal effect to be measured. These projections constitute light signals respectively sent to the elementary photoelectric detectors 73 and 74.
- Each of the electrical signals at the output of the elementary detectors 73 and 74 is representative of the non-reciprocal effect to be measured.
- a differential amplifier makes the difference between these electrical signals in order to largely overcome the noise of the light source 1.
- This difference is representative of the non-reciprocal effect to be measured.
- This difference represents an electrical signal which is digitized by digitizing means 76.
- Device for measuring a non-reciprocal effect comprising, a light source (1), a single-mode spatial filter (52), a Sagnac ring (8) having two branches (81, 82), a separator (7) light distributing the light on the branches (81, 82) of the ring (8), a light detector (3), characterized in that the splitter (7) is a polarization splitter, in that the filter ( 52) is non-polarizing, and in that the detector (3) comprises a polarization state analysis system.
- Device for measuring a non-reciprocal effect comprising several optical elements among which, a light source (1), a light detector (3), a single-mode spatial filter (52), a Sagnac ring (8) having two branches (81, 82), two light separators (4, 7), said optical elements being arranged so that, on the one hand, a first part of the light emitted by the source (1) can successively pass through the first separator (4), through the filter
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Abstract
Description
DISPOSITIF DE MESURE D'UN EFFET NON RECIPROQUE, NOTAMMENT DEVICE FOR MEASURING A NON-RECIPROCAL EFFECT, IN PARTICULAR
GYROMETRE A FIBRE OPTIQUEFIBER OPTIC GYROMETER
L'invention concerne le domaine des dispositifs de mesure d'un effet non réciproque, et notamment le domaine des gyromètres à fibre optique. L'invention peut également être appliquée au niveau d'autres types de dispositifs de mesure d'un effet non réciproque, comme par exemple au niveau d'un magnétomètre à fibre optique.The invention relates to the field of devices for measuring a non-reciprocal effect, and in particular to the field of fiber optic gyros. The invention can also be applied to other types of devices for measuring a non-reciprocal effect, such as for example at a fiber optic magnetometer.
Un art antérieur, dans le domaine des dispositifs de mesure d'un effet non réciproque en général et dans le domaine des gyromètres à fibre optique en particulier, est constitué par un article incorporé par référence dans la présente demande de brevet. Cet article a pour titre « gyromètre à fibre optique : principes et technologies », a pour auteurs « H.J. ARDITTY, Ph. GRAINDORGE, et H.C. LEFEVRE » du « Laboratoire Central de Recherches de THOMSON-CSF », est paru dans la « Revue technique THOMSON-CSF, Vol 15, N°3, pages 777 à 807 », en septembre 1983. Cet article décrit notamment une configuration dite « minimale » d'un gyromètre à fibre optique et en donne plusieurs exemples de réalisation. Cette configuration minimale de gyromètre à fibre optique est basée sur l'utilisation d'un modulateur de phase disposé au niveau de l'une .des branches de l'anneau de Sagnac du gyromètre à fibre optique.A prior art, in the field of devices for measuring a non-reciprocal effect in general and in the field of fiber optic gyros in particular, consists of an article incorporated by reference in the present patent application. The title of this article is “fiber optic gyrometer: principles and technologies”, the authors are “HJ ARDITTY, Ph. GRAINDORGE, and HC LEFEVRE” from “THOMSON-CSF Central Research Laboratory”, appeared in the “Technical Review THOMSON-CSF, Vol 15, N ° 3, pages 777 to 807 ", in September 1983. This article describes in particular a so-called" minimal "configuration of a fiber optic gyrometer and gives several examples of its implementation. This minimum configuration of fiber optic gyrometer is based on the use of a phase modulator disposed at one of the branches of the Sagnac ring of the fiber optic gyrometer.
Plus précisément, le gyromètre à fibre optique de cet art antérieur comporte plusieurs éléments optiques parmi lesquels, une source de lumière, un détecteur de lumière, un filtre spatial monomode, un anneau de Sagnac ayant deux branches, deux séparateurs de lumière, lesdits éléments optiques étant disposés de manière à ce que, d'une part une première partie de la lumière émise par la source puisse successivement passer par le premier séparateur, par le filtre, par le deuxième séparateur, entrer par la première branche de l'anneau pour ressortir par la deuxième branche de l'anneau, passer par le deuxième séparateur, par le filtre, par le premier séparateur, et arriver sur le détecteur, et d'autre part une deuxième partie de la lumière émise par la source puisse successivement passer par le premier séparateur, par le filtre, par le deuxième séparateur, entrer par la deuxième branche de l'anneau pour ressortir par la première branche de l'anneau, passer par le. deuxième séparateur, par le filtre, par le premier séparateur, et arriver sur le détecteur, lesdits éléments optiques étant structurés et disposés de manière à ce que, la lumière qui est issue de la source et qui arrive au niveau du deuxième séparateur avant d'être passée dans l'anneau de Sagnac, soit une lumière polarisée. Le deuxième séparateur est une lame semi-réfléchissante. Le filtre spatial monomode est polarisant, étant constitué par l'association d'un filtre spatial monomode proprement dit et d'un pola iseur.More specifically, the fiber optic gyrometer of this prior art comprises several optical elements among which, a light source, a light detector, a single-mode spatial filter, a Sagnac ring having two branches, two light separators, said optical elements being arranged in such a way that, on the one hand, a first part of the light emitted by the source can successively pass through the first separator, through the filter, through the second separator, enter through the first branch of the ring to emerge by the second branch of the ring, pass by the second separator, by the filter, by the first separator, and arrive on the detector, and on the other hand a second part of the light emitted by the source can successively pass through the first separator, through the filter, through the second separator, enter through the second branch of the ring to exit through the first branch of the ring, pass er by the. second separator, by the filter, by the first separator, and arrive at the detector, said optical elements being structured and arranged in such a way that the light which comes from the source and which arrives at the second separator before being passed through the Sagnac ring, is polarized light. The second separator is a semi-reflective strip. The single-mode spatial filter is polarizing, being constituted by the association of a single-mode spatial filter proper and a polarizer.
Plus précisément encore, la figure 1 représente schématiquement un exemple de gyromètre à fibre optique selon l'art antérieur. Le trajet des faisceaux lumineux est indiqué sur la figure 1 au moyen de flèches. Une source 1 de lumière laser émet un faisceau laser. Ce faisceau laser arrive sur un premier séparateur 4 de lumière qui est une lame semi-réfléchissante, une partie seulement du faisceau laser traversant le premier séparateur 4 de lumière en direction du polariseur 51. Le faisceau laser traverse ensuite (e polariseur 51 et en ressort polarisé suivant une direction de polarisation donnée. Puis, le faisceau laser est focalisé par une lentille L sur une entrée d'une fibre optique 52 constituant le filtre spatial monomode proprement dit. A la sortie de la fibre optique 52, le faisceau laser traverse une lentille L pour arriver sur un deuxième séparateur 6 de lumière qui est une lame semi- réfléchissante. Le faisceau laser est scindé en deux parties sensiblement égales, chaque partie étant focalisée sur l'une des entrées 81 ou 82 de l'anneau 8 de Sagnac lequel est une bobine de fibre optique. Le sens de circulation de la lumière de la branche 81 vers la branche 82 est appelé cw (pour « clockwise » en terminologie anglo-saxonne) et le sens de circulation de la lumière de la branche 82 vers la branche 81 est appelé ccw (pour « counter clockwise » en terminologie anglo-saxonne). La branche 82, par exemple, comporte un modulateur 9 de phase. Après être ressorties de l'anneau 8 de Sagnac, les deux parties du faisceau laser traversent le deuxième séparateur 6, en partie seulement, pour se superposer en un faisceau laser focalisé par une lentille L sur une extrémité de la fibre optique 52. A la sortie de la fibre optique 52, le faisceau laser traverse une lentille L, puis le polariseur 51 , l'association de la fibre optique 52 et du polariseur 51 constituant un filtre 5 spatial monomode polarisant. Une partie du faisceau laser lequel est maintenant à nouveau polarisé suivant la direction initiale de polarisation donnée est réfléchie par le premier séparateur 4 en direction du détecteur 2. Grâce à la modulation de phase effectuée par le modulateur 9 de phase, le signal détecté par le détecteur 2 est représentatif de l'effet Sagnac, donc de la vitesse de rotation à laquelle est soumis le gyromètre à fibre optique, et exploitable.More precisely still, FIG. 1 schematically represents an example of a fiber optic gyrometer according to the prior art. The path of the light beams is indicated in Figure 1 by means of arrows. A laser light source 1 emits a laser beam. This laser beam arrives on a first light separator 4 which is a semi-reflecting plate, only part of the laser beam passing through the first light separator 4 in the direction of the polarizer 51. The laser beam then crosses (the polarizer 51 and leaves it polarized in a given polarization direction. Then, the laser beam is focused by a lens L on an input of an optical fiber 52 constituting the single mode spatial filter itself. At the output of the optical fiber 52, the laser beam passes through a lens L to arrive at a second light separator 6 which is a semi-reflecting plate. The laser beam is split into two substantially equal parts, each part being focused on one of the inputs 81 or 82 of the Sagnac ring 8 which is a spool of optical fiber. The direction of light flow from branch 81 to branch 82 is called cw (for "clockwise" in English terminology o-Saxon) and the direction of light circulation from branch 82 to branch 81 is called ccw (for “counter clockwise” in English terminology). The branch 82, for example, includes a phase modulator 9. After coming out of Sagnac's ring 8, the two parts of the laser beam pass through the second separator 6, only in part, to superimpose themselves into a laser beam focused by a lens L on one end of the optical fiber 52. At the output of the optical fiber 52, the laser beam passes through a lens L, then the polarizer 51, the association of the optical fiber 52 and the polarizer 51 constituting a polarizing single-mode spatial filter 5. A part of the laser beam which is now again polarized in the initial direction of polarization given is reflected by the first separator 4 in the direction of the detector 2. Thanks to the phase modulation carried out by the modulator 9 phase, the signal detected by the detector 2 is representative of the Sagnac effect, therefore of the speed of rotation to which the fiber optic gyrometer is subjected, and usable.
L'un des inconvénients que présente cet art antérieur est que le modulateur 9 de phase utilisé dans le gyromètre à fibre optique de cet art antérieur est trop complexe et trop coûteux.One of the disadvantages of this prior art is that the phase modulator 9 used in the optical fiber gyrometer of this prior art is too complex and too expensive.
L'invention propose une nouvelle structure de dispositif de mesure d'un effet non réciproque en général et de gyromètre à fibre optique en particulier. Cette nouvelle structure se distingue de la structure de l'art antérieur par plusieurs caractéristiques au nombre desquelles se trouvent : la suppression du modulateur de phase ; l'utilisation, comme deuxième séparateur, d'un séparateur de polarisation ; l'utilisation, sur le chemin de retour de la lumière entre l'anneau de Sagnac et le détecteur, d'un filtre spatial monomode qui est non polarisant ; l'utilisation d'un type de détecteur particulier, capable d'analyser l'état de polarisation du signal lumineux de retour, lequel état de polarisation est représentatif de l'effet Sagnac, donc de l'effet non réciproque auquel est soumis le dispositif de mesure selon l'invention en général ou de la vitesse de rotation auquel est soumis le gyromètre à fibre optique selon l'invention en particulier. Selon l'invention, il est prévu un dispositif de mesure d'un effet non réciproque comportant, une source de lumière, un filtre spatial monomode, un anneau de Sagnac ayant deux branches, un séparateur de lumière répartissant la lumière sur les branches de l'anneau, un détecteur de lumière, caractérisé en ce que le séparateur est un séparateur de polarisation, en ce que le filtre est non polarisant, et en ce que le détecteur comprend un système d'analyse d'état de polarisation.The invention proposes a new structure of a device for measuring a non-reciprocal effect in general and of a fiber optic gyrometer in particular. This new structure differs from the structure of the prior art by several characteristics, among which are: the elimination of the phase modulator; the use, as second separator, of a polarization separator; the use, on the light return path between the Sagnac ring and the detector, of a single-mode spatial filter which is non-polarizing; the use of a particular type of detector, capable of analyzing the state of polarization of the return light signal, which state of polarization is representative of the Sagnac effect, therefore of the non-reciprocal effect to which the device is subjected of measurement according to the invention in general or of the speed of rotation to which the optical fiber gyrometer according to the invention is subjected in particular. According to the invention, there is provided a device for measuring a non-reciprocal effect comprising, a light source, a single-mode spatial filter, a Sagnac ring having two branches, a light separator distributing the light over the branches of the ring, a light detector, characterized in that the separator is a polarization separator, in that the filter is non-polarizing, and in that the detector comprises a polarization state analysis system.
Selon l'invention, il est plus précisément également prévu un dispositif de mesure d'un effet non réciproque comportant plusieurs éléments optiques parmi lesquels, une source de lumière, un détecteur de lumière, un filtre spatial monomode, un anneau de Sagnac ayant deux branches, deux séparateurs de lumière, lesdits éléments optiques étant disposés de manière à ce que, d'une part une première partie de la lumière émise par la source puisse successivement passer par le premier séparateur, par le filtre, par le deuxième séparateur, entrer par la première branche de l'anneau pour ressortir par la deuxième branche de l'anneau, passer par le deuxième séparateur, par le filtre, par le premier séparateur, et arriver sur le détecteur, et d'autre part une deuxième partie de la lumière émise par la source puisse successivement passer par le premier séparateur, par le filtre, par le deuxième séparateur, entrer par la deuxième branche de l'anneau pour ressortir par la première branche de l'anneau, passer par le deuxième séparateur, par le filtre, par le premier séparateur, et arriver sur le détecteur, lesdits éléments optiques étant structurés et disposés de manière à ce que, la lumière qui est issue de la source et qui arrive au niveau du deuxième séparateur avant d'être passée dans l'anneau de Sagnac, soit une lumière polarisée, caractérisé en ce que le deuxième séparateur est un séparateur de polarisation séparant, totalement ou partiellement, la lumière incidente selon deux polarisations déterminées, en ce que l'état de polarisation de la lumière arrivant sur le premier séparateur en provenance de la source est une combinaison des deux polarisations déterminées, en ce que l'anneau est structuré de manière à ce que de la lumière entrée par l'une des branches en étant polarisée selon l'une des polarisations déterminées ressorte par l'autre branche en présentant une puissance substantiellement non nulle selon l'autre polarisation déterminée, en ce que le dispositif de mesure ne comporte pas de polariseur sur le chemin de la lumière allant du deuxième séparateur au détecteur, et en ce que le détecteur comprend un système d'analyse de l'état de polarisation du signal lumineux constitué par la superposition de la première et de la deuxième parties de la lumière arrivant sur le détecteur.According to the invention, there is more precisely also provided a device for measuring a non-reciprocal effect comprising several optical elements among which, a light source, a light detector, a single-mode spatial filter, a Sagnac ring having two branches , two light separators, said optical elements being arranged so that, on the one hand, a first part of the light emitted by the source can successively pass through the first separator, through the filter, through the second separator, enter through the first branch of the ring to come out through the second branch of the ring, go through the second separator, through the filter, through the first separator, and arrive at the detector, and on the other hand a second part of the light emitted by the source can successively pass through the first separator, through the filter, through the second separator, enter through the second branch of the ring to exit through the first branch of the ring, pass through the second separator, through the filter, through the first separator, and arrive at the detector, said optical elements being structured and arranged in such a way that the light which comes from the source and which arrives at the second separator before passing through the Sagnac ring, is polarized light, characterized in that the second separator is a separator of polarization separating, totally or partially, the incident light according to two determined polarizations, in that the state of polarization of the light arriving on the first s spacer from the source is a combination of the two determined polarizations, in that the ring is structured so that light entered by one of the branches while being polarized according to one of the determined polarizations comes out through l 'other branch by presenting a substantially non-zero power according to the other determined polarization, in that the measuring device does not include a polarizer on the light path going from the second separator to the detector, and in that the detector comprises a system for analyzing the state of polarization of the light signal constituted by the superposition of the first and second parts of the light arriving on the detector.
L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints, donnés à titre d'exemples, où :The invention will be better understood and other features and advantages will become apparent from the following description and the attached drawings, given by way of examples, in which:
- la figure 1 représente schématiquement un exemple de gyromètre à fibre optique selon l'art antérieur ; - la figure 2 représente schématiquement un exemple de gyromètre à fibre optique selon l'invention ;- Figure 1 schematically shows an example of a fiber optic gyrometer according to the prior art; - Figure 2 schematically shows an example of a fiber optic gyrometer according to the invention;
- les figures 3 et 4 représentent schématiquement des exemples de diagrammes expliquant le principe de fonctionnement d'un gyromètre à fibre optique selon l'invention ; - les figures 5 et 6 représentent schématiquement des exemples de diagrammes expliquant le principe de fonctionnement d'un séparateur partiel de polarisation utilisé comme premier séparateur de lumière dans le gyromètre à fibre optique selon l'invention ; - la figure 7 représente schématiquement un exemple de détecteur utilisé dans un gyromètre à fibre optique selon l'invention.- Figures 3 and 4 schematically represent examples of diagrams explaining the operating principle of a fiber optic gyrometer according to the invention; - Figures 5 and 6 schematically represent examples of diagrams explaining the operating principle of a partial polarization splitter used as the first light splitter in the fiber optic gyrometer according to the invention; - Figure 7 shows schematically an example of detector used in a fiber optic gyrometer according to the invention.
De préférence, le dispositif de mesure d'un effet non réciproque selon l'invention est un gyromètre à fibre optique. Ce gyromètre à fibre optique est avantageusement utilisé dans un gyroscope aéronautique. Ce gyroscope aéronautique constitue alors de préférence le gyroscope secondaire ou l'un des gyroscopes secondaires de l'avion. La présence d'un ou de plusieurs gyroscopes secondaires constitue une sécurité sur un avion, notamment en cas de défaillance du gyroscope principal. Le dispositif de mesure selon l'invention peut aussi notamment être un magnétomètre, avantageusement à fibre optique, permettant de détecter et de mesurer l'effet Faraday induit dans une fibre optique par un courant électrique circulant à proximité de la fibre optique. Dans toute la suite du texte, sauf mention contraire, le dispositif de mesure d'un effet non réciproque qui sera considéré, sera un gyromètre, ce gyromètre étant avantageusement un gyromètre à fibre optique. Les caractéristiques additionnelles décrites dans la suite du texte peuvent néanmoins s'appliquer également à d'autres dispositifs que le gyromètre à fibre optique, mesurant d'autres effets non réciproques que l'effet Sagnac provoqué par la vitesse de la rotation à laquelle est soumis le dispositif de mesure ; parmi ces autres effets, il y a notamment les effets magnéto-optiques induits dans une boucle.Preferably, the device for measuring a non-reciprocal effect according to the invention is a fiber optic gyrometer. This fiber optic gyrometer is advantageously used in an aeronautical gyroscope. This aeronautical gyroscope then preferably constitutes the secondary gyroscope or one of the secondary gyroscopes of the aircraft. The presence of one or more secondary gyroscopes constitutes security on an aircraft, in particular in the event of failure of the main gyroscope. The measuring device according to the invention can also in particular be a magnetometer, advantageously with optical fiber, making it possible to detect and measure the Faraday effect induced in an optical fiber by an electric current flowing near the optical fiber. Throughout the rest of the text, unless otherwise stated, the device for measuring a non-reciprocal effect which will be considered will be a gyrometer, this gyrometer advantageously being a fiber optic gyrometer. The additional characteristics described in the following text can nevertheless also apply to other devices than the fiber optic gyrometer, measuring other non-reciprocal effects than the Sagnac effect caused by the speed of the rotation to which it is subjected. the measuring device; among these other effects, there are in particular the magneto-optical effects induced in a loop.
La figure 2 représente schématiquement un exemple de gyromètre à fibre optique selon l'invention. Le trajet des faisceaux lumineux est indiqué sur la figure 2 au moyen de flèches. Le gyromètre à fibre optique comporte notamment les éléments suivants : une source 1 de lumière ; un polariseur 51 ; un détecteur 3 de lumière ; un premier séparateur 4 de lumière ; un filtre spatial monomode non polarisant 52 ; un deuxième séparateur 7 de lumière qui est un séparateur de polarisation ; un anneau 8 de Sagnac ayant deux branches 81 et 82. La source 1 de lumière émet de la lumière avantageusement en forme de faisceau lumineux. Ce faisceau lumineux peut être un faisceau laser ou bien est de préférence un faisceau lumineux issu d'une source incohérente à très grande luminance telle qu'une diode superluminescente. Ce faisceau lumineux arrive polarisé sur un premier séparateur 4 de lumière. Pour cela, soit la source 1 émet directement une lumière polarisée, soit un polariseur 51 est situé entre la source 1 et le premier séparateur 4.FIG. 2 schematically represents an example of a fiber optic gyrometer according to the invention. The path of the light beams is indicated in Figure 2 by means of arrows. The fiber optic gyrometer includes in particular the following elements: a light source 1; a polarizer 51; a light detector 3; a first light separator 4; a non-polarizing single-mode spatial filter 52; a second light splitter 7 which is a polarization splitter; a Sagnac ring 8 having two branches 81 and 82. The light source 1 emits light advantageously in the form of a light beam. This light beam can be a laser beam or it is preferably a light beam coming from an incoherent source with very high luminance such as a superluminescent diode. This light beam arrives polarized on a first light separator 4. For this, either the source 1 directly emits polarized light, or a polarizer 51 is located between the source 1 and the first separator 4.
D'une part, ce séparateur 4 de lumière est structuré de manière à ce qu'une partie substantielle de la lumière issue de la source 1 traverse le premier séparateur 4 afin de subir l'effet Sagnac lors de son passage dans l'anneau 8 de Sagnac. D'autre part, ce séparateur 4 de lumière est structuré de manière à ce qu'une partie substantielle de la lumière étant passée par l'anneau 8 de Sagnac, soit réfléchie par le premier séparateur 4 en direction du détecteur 3 afin d'être analysée par le détecteur 3. Comme la propagation entre les différents éléments optiques est sur la figure 2 représentée comme une propagation en mode libre, le premier séparateur 4 est du type lame partiellement réfléchissante. Cependant dans le cas d'un gyromètre tout fibre optique, ce premier séparateur 4 serait par exemple un coupleur de fibres optiques. De même, la figure 2 comporte des lentilles L pour passer de la propagation libre en propagation guidée par fibre optique, mais dans le cas d'un gyromètre tout fibre ou encore d'un gyromètre en optique intégrée, ces lentilles L deviendraient superflues. Ces lentilles L sont présentes à chaque changement entre les modes de propagation libre d'une part et guidé par fibre optique d'autre part. Il y en a une entre le premier séparateur 4 et le filtre spatial monomode 52, une entre le filtre spatial monomode 52 et le deuxième séparateur 7, une entre le deuxième séparateur 7 et chacune des branches 81 et 82 de l'anneau 8 de Sagnac. Chaque lentille L peut éventuellement être remplacé par une combinaison de lentilles. Les lentilles L ne seront pratiquement plus mentionnées dans la suite de la description de la figure 2.On the one hand, this light separator 4 is structured so that a substantial part of the light coming from the source 1 passes through the first separator 4 in order to undergo the Sagnac effect during its passage through the ring 8 from Sagnac. On the other hand, this light separator 4 is structured so that a substantial part of the light having passed through the Sagnac ring 8, is reflected by the first separator 4 in the direction of the detector 3 in order to be analyzed by the detector 3. As the propagation between the different optical elements is in FIG. 2 represented as a propagation in free mode, the first separator 4 is of the partially reflecting plate type. However in the case of an all-fiber gyrometer, this first separator 4 would for example be an optical fiber coupler. Likewise, FIG. 2 comprises lenses L for passing from free propagation to guided propagation by optical fiber, but in the case of an all-fiber gyrometer or else a gyrometer in integrated optics, these lenses L would become superfluous. These lenses L are present at each change between the modes of free propagation on the one hand and guided by optical fiber on the other hand. There is one between the first separator 4 and the single-mode spatial filter 52, one between the single-mode spatial filter 52 and the second separator 7, one between the second separator 7 and each of the branches 81 and 82 of the Sagnac ring 8 . Each lens L can optionally be replaced by a combination of lenses. The lenses L will practically no longer be mentioned in the following description of FIG. 2.
Le faisceau lumineux passe ensuite par le filtre 52 spatial monomode non polarisant. A la sortie du filtre spatial monomode 52, le faisceau lumineux n'est plus constitué substantiellement que d'un seul mode spatial mais non pas forcément d'une seule polarisation rectiligne : c'est seulement en cas de vitesse de rotation nulle que ce seul mode spatial ne comprend qu'une polarisation rectiligne correspondant généralement à la polarisation de la lumière émise par la source 1. Le filtre spatial monomode 52 est avantageusement un tronçon de fibre optique monomode axiosymétrique.The light beam then passes through the non-polarizing single-mode spatial filter 52. At the output of the single-mode spatial filter 52, the light beam no longer consists substantially of only one spatial mode but not necessarily of a single rectilinear polarization: this is only in the case of zero speed of rotation does this single spatial mode only comprise a rectilinear polarization generally corresponding to the polarization of the light emitted by the source 1. The single-mode spatial filter 52 is advantageously a section of axiosymmetric single-mode optical fiber.
A la sortie du filtre spatial monomode 52, le faisceau lumineux arrive sur un deuxième séparateur 7 de lumière qui est un séparateur de polarisation. Le deuxième séparateur 7 de lumière est un séparateur de polarisation qui peut être total ou partiel. Le deuxième séparateur 7 de lumière est de préférence un séparateur total de polarisation, c'est-à-dire qu'il envoie dans l'une des branches, par exemple la branche 81 , l'une des polarisations déterminées constituant le faisceau lumineux tandis qu'il envoie simultanément dans l'autre branche, par exemple la branche - 82, laAt the output of the single-mode spatial filter 52, the light beam arrives on a second light splitter 7 which is a polarization splitter. The second light separator 7 is a polarization separator which can be total or partial. The second light separator 7 is preferably a total polarization separator, that is to say it sends into one of the branches, for example the branch 81, one of the determined polarizations constituting the light beam while that he sends simultaneously to the other branch, for example the branch - 82, the
, polarisation complémentaire à celle envoyée dans la première branche, ici la branche 81. Le séparateur 7 est total dans la mesure où chaque polarisation est complément séparée de la polarisation complémentaire. Le séparateur 7 est par exemple un prisme de Wollaston., polarization complementary to that sent in the first branch, here branch 81. The separator 7 is total insofar as each polarization is complement separate from the complementary polarization. The separator 7 is for example a Wollaston prism.
L'anneau 8 de Sagnac est de préférence une bobine de fibre optique. Le sens de circulation de la lumière de la branche 81 vers la branche 82 est appelé cw (pour « clockwise » en terminologie anglo- saxonne) et le sens de circulation de la branche 82 vers la branche 81 est appelé ccw (pour « counter clockwise » en terminologie anglo-saxonne). Pour éviter un évanouissement éventuel du signal lumineux circulant dans l'anneau 8 de Sagnac, l'anneau 8 de Sagnac est structuré de manière à ce que de la lumière entrée par l'une des branches en étant polarisée selon l'une des polarisations déterminées ressorte par l'autre branche en présentant une puissance substantiellement non nulle selon l'autre polarisation déterminée. Une puissance substantiellement non nulle, correspondant à un signal non évanoui, est une puissance suffisante pour que la lumière arrivant sur le détecteur 3 soit exploitable. Pour cela, comme il sera expliqué ultérieurement, l'une des branches de l'anneau 8 de Sagnac, la branche 82 par exemple, comporte avantageusement un dépolariseur 10 de Lyot.The Sagnac ring 8 is preferably a reel of optical fiber. The direction of light circulation from branch 81 to branch 82 is called cw (for “clockwise” in English terminology) and the direction of circulation of branch 82 towards branch 81 is called ccw (for “counter clockwise "In Anglo-Saxon terminology). To avoid a possible fading of the light signal circulating in the ring 8 of Sagnac, the ring 8 of Sagnac is structured so that the light entered by one of the branches while being polarized according to one of the determined polarizations emerges from the other branch with a substantially non-zero power according to the other determined polarization. A substantially non-zero power, corresponding to a non-faded signal, is sufficient power for the light arriving on the detector 3 to be usable. For this, as will be explained later, one of the branches of the ring 8 of Sagnac, the branch 82 for example, advantageously comprises a depolarizer 10 of Lyot.
Après être ressorties de l'anneau 8 de Sagnac, les deux parties du faisceau lumineux traversent le deuxième séparateur 7, en partie seulement, pour se superposer en un faisceau lumineux qui ensuite passe par, c'est-à-dire ici traverse, le filtre spatial monomode 52. A la sortie du filtre spatial monomode 52, le faisceau lumineux monomode arrive au niveau du premier séparateur 4 de lumière, les autres modes ayant été filtrés. Une partie de ce faisceau lumineux est réfléchie par le premier séparateur 4 en direction du détecteur 3. L'état de polarisation du faisceau lumineux réfléchi par le premier séparateur 4 en direction du détecteur 3 est représentatif de l'effet Sagnac, donc de la vitesse de rotation à laquelle est soumis le gyromètre à fibre optique. C'est pour cela que le détecteur 3 comporte un système d'analyse de l'état de polarisation du faisceau lumineux arrivant au niveau de ce même détecteur 3.After coming out of Sagnac's ring 8, the two parts of the light beam pass through the second separator 7, in part only, in order to be superimposed on a light beam which then passes through, that is to say here passes through, the single-mode spatial filter 52. On leaving the single-mode spatial filter 52, the single-mode light beam arrives at the level of the first separator 4 of light, the other modes having been filtered. Part of this light beam is reflected by the first separator 4 towards the detector 3. The polarization state of the light beam reflected by the first separator 4 towards the detector 3 is representative of the Sagnac effect, and therefore of the speed of rotation to which the fiber optic gyroscope is subjected. This is why the detector 3 includes a system for analyzing the state of polarization of the light beam arriving at the same detector 3.
Une première partie du faisceau lumineux émis par la source 1 passe successivement par le premier séparateur 4, par le filtre- spatial monomode 52, par le séparateur 7 de polarisation, entre par la branche 81 de l'anneau 8 de Sagnac pour ressortir par la branche 82 de l'anneau 8 de Sagnac, repasse par le séparateur 7 de polarisation, par le filtre spatial monomode 52, par le premier séparateur 4, et arrive sur le détecteur 3. Par ailleurs, une deuxième partie du faisceau lumineux émis par la source 1 passe successivement par le premier séparateur 4, par le filtre spatial monomode 52, par le séparateur 7 de polarisation, entre par la branche 82 de l'anneau 8 de Sagnac pour ressortir par la branche 81 de l'anneau 8 de Sagnac, passe par le séparateur 7 de polarisation, par le filtre spatial monomode 52, par le premier séparateur 4, et arrive sur le détecteur 3. Le faisceau lumineux qui est issu de la source 1 et qui arrive au niveau du séparateur 7 de polarisation avant d'être passé dans l'anneau 8 de Sagnac, est un faisceau lumineux polarisé qui avait été polarisé lors de son passage au niveau du polariseur 51.A first part of the light beam emitted by the source 1 passes successively through the first separator 4, through the single-mode spatial filter 52, through the polarization separator 7, enters through the branch 81 of the Sagnac ring 8 to exit through the branch 82 of the Sagnac ring 8, passes through the polarization splitter 7, through the single-mode spatial filter 52, through the first splitter 4, and arrives at the detector 3. Furthermore, a second part of the light beam emitted by the source 1 passes successively through the first separator 4, through the single-mode spatial filter 52, through the polarization separator 7, enters through branch 82 of ring 8 of Sagnac to exit through branch 81 of ring 8 of Sagnac, passes through the polarization splitter 7, through the single-mode spatial filter 52, through the first splitter 4, and arrives at the detector 3. The light beam which comes from the source 1 and which arrives at the polarization splitter 7 before d ' be passed through the Sagnac ring 8, is a polarized light beam that was polarized during its passage at the polarizer 51.
Le séparateur 7 de polarisation sépare, totalement ou partiellement, mais de préférence totalement, la lumière incidente selon deux polarisations déterminées. Le séparateur 7 de polarisation est avantageusement un séparateur de polarisation rectiligne séparant par exemple les polarisations horizontale et verticale d'un faisceau lumineux préférentieilement polarisé à 45 degrés par le polariseur 51. Le faisceau lumineux, à son arrivée au niveau du séparateur 7 de polarisation, est constitué pour moitié en terme d'énergie, d'une composante suivant la polarisation horizontale et d'une composante suivant la polarisation verticale. Le séparateur 7 de polarisation peut aussi être un séparateur de polarisation circulaire séparant alors les polarisations circulaire gauche et circulaire droite d'un faisceau lumineux qui comprend ces deux polarisations dans des proportions énergétiques avantageusement sensiblement égales entre elles. Par l'intermédiaire du dépolariseur 10 de Lyot, tout évanouissement éventuel du signal dans l'anneau 8 de Sagnac est évité. Le polariseur 51 étant situé en amont du premier séparateur 4, le gyromètre à fibre optique ne comporte pas de polariseur sur le chemin de la lumière allant du séparateur 7 de polarisation au détecteur 3. Le détecteur 3 comprend un système d'analyse de l'état de polarisation du faisceau lumineux qui arrive sur le détecteur 3 et qui est constitué par la superposition de la première et de la deuxième parties de faisceau lumineux décrites précédemment. L'état de polarisation de ce faisceau lumineux arrivant sur le détecteur 3 est représentatif de l'effet Sagnac, donc de la vitesse de rotation à laquelle est soumis le gyromètre à fibre optique.The polarization splitter 7 separates, totally or partially, but preferably completely, the incident light according to two determined polarizations. The polarization splitter 7 is advantageously a rectilinear polarization splitter separating for example the horizontal and vertical polarizations of a light beam preferably polarized at 45 degrees by the polarizer 51. The light beam, on its arrival at the polarization splitter 7, is made up of half in terms of energy, of a component according to the horizontal polarization and a component according to vertical polarization. The polarization splitter 7 can also be a circular polarization splitter then separating the left circular and right circular polarizations of a light beam which comprises these two polarizations in energy proportions advantageously substantially equal to each other. Through the Lyot depolarizer 10, any possible fading of the signal in the Sagnac ring 8 is avoided. The polarizer 51 being located upstream of the first separator 4, the fiber optic gyrometer does not include a polarizer on the light path going from the polarization separator 7 to the detector 3. The detector 3 comprises a system for analyzing the polarization state of the light beam which arrives at the detector 3 and which is constituted by the superposition of the first and the second parts of the light beam described above. The polarization state of this light beam arriving on the detector 3 is representative of the Sagnac effect, therefore of the speed of rotation to which the fiber optic gyrometer is subjected.
Au lieu de comporter un filtre spatial monomode 52 placé entre le premier séparateur 4 et le séparateur 7 de polarisation, le dispositif de mesure selon l'invention pourrait comporter, soit deux filtres spatiaux monomodes respectivement placés d'une part entre la source 1 et le premier séparateur 4 et d'autre part entre le premier séparateur 4 et le détecteur 3, mais les contraintes sur l'écart entre les alignements respectifs de chaque filtre spatial monomode ainsi que des deux entrées de branche de l'anneau 8 de Sagnac par rapport au trajet du faisceau lumineux seraient plus sévères, soit deux filtres spatiaux monomodes respectivement placés d'une part entre le séparateur 7 de polarisation et la branche 81 et d'autre part entre le séparateur 7 de polarisation et la branche 82, mais le signal arrivant alors sur le détecteur 3 est moins aisément exploitable.Instead of comprising a single-mode spatial filter 52 placed between the first polarization separator 4 and the polarization separator 7, the measurement device according to the invention could comprise either two single-mode spatial filters respectively placed on the one hand between the source 1 and the first separator 4 and on the other hand between the first separator 4 and the detector 3, but the constraints on the difference between the respective alignments of each single-mode spatial filter as well as of the two branch inputs of the ring 8 of Sagnac relative to the path of the light beam would be more severe, that is to say two single-mode spatial filters respectively placed on the one hand between the polarization splitter 7 and the branch 81 and on the other hand between the polarization splitter 7 and the branch 82, but the signal arriving then on the detector 3 is less easily exploitable.
Par l'intermédiaire du séparateur 7 de polarisation, de préférence total, l'une des polarisations, par exemple la polarisation horizontale, est envoyée dans l'une des branches de l'anneau 8 de Sagnac, par exemple la branche 81 , tandis que l'autre polarisation, c'est-à-dire la polarisation complémentaire, ici la polarisation verticale, est envoyée dans l'autre branche de l'anneau 8 de Sagnac, ici la branche 82. La lumière ayant retraversé le séparateur 7 de polarisation après passage dans l'anneau 8 de Sagnac, comporte une composante réciproque et une composante non réciproque représentative de l'effet non réciproque à mesurer. Dans le cas préférentiel où le faisceau lumineux arrivant au niveau du séparateur 7 de polarisation est une lumière polarisée à 45 degrés, c'est-à-dire une lumière dont les composantes suivant les polarisations respectivement horizontale et verticale sont d'intensité égale entre elles, la composante non réciproque se retrouve sur la même voie optique que la composante réciproque, c'est-à- dire en fin de compte arrive également sur le détecteur 3 tout comme la composante réciproque, mais selon une polarisation orthogonale à celle de la composante réciproque.Via the polarization splitter 7, preferably total, one of the polarizations, for example the horizontal polarization, is sent into one of the branches of the Sagnac ring 8, for example the branch 81, while the other polarization, that is to say the complementary polarization, here the vertical polarization, is sent to the other branch of the Sagnac ring 8, here the branch 82. The light having passed through the polarization splitter 7 after passing through ring 8 of Sagnac, has a reciprocal component and a non-reciprocal component representative of the non-reciprocal effect to be measured. In the preferential case where the light beam arriving at the polarization splitter 7 is a light polarized at 45 degrees, that is to say a light whose components according to the respectively horizontal and vertical polarizations are of equal intensity between them , the non-reciprocal component is found on the same optical path as the reciprocal component, that is to say ultimately also arrives on the detector 3 just like the reciprocal component, but according to a polarization orthogonal to that of the component reciprocal.
Plus précisément, les figures 3 et 4 représentent schématiquement des exemples de diagrammes expliquant le principe de fonctionnement d'un gyromètre à fibre optique selon l'invention correspondant au cas préférentiel d'une lumière polarisée à 45 degrés à son arrivée sur le séparateur 7 de polarisation avant d'être passée par l'anneau 8 de Sagnac. Dans ces exemples, l'anneau 8 de Sagnac est considéré comme comportant un dépolariseur 10 de Lyot au niveau de l'une de ses branches. Les axes H et V représentent respectivement les polarisations horizontale et verticale. La figure 3 permet de préciser l'évolution de la composante réciproque du faisceau lumineux arrivant sur le séparateur 7 de polarisation, traversant le séparateur 7 de polarisation qui la sépare en deux composantes, respectivement horizontale et verticale, chacune des deux composantes subissant l'action du dépolariseur 10 de Lyot lors de son passage par l'anneau 8 de Sagnac, retraversant le séparateur 7 de polarisation, les deux composantes se recombinant à la sortie du séparateur 7 de polarisation après avoir traversé l'anneau 8 de Sagnac. Au cours de la description de l'évolution du faisceau lumineux, les pertes notamment par absorption seront négligées. Lors de son arrivée au niveau du séparateur 7 de polarisation, le faisceau lumineux est polarisé à 45 degrés, l'état de polarisation du faisceau lumineux f étant représenté en 30. Le faisceau lumineux f est séparé par le séparateur 7 de polarisation en ses deux composantes, d'une part la composante horizontale fh qui est envoyée dans la branche 81 pour parcourir l'anneau 8 de Sagnac dans le sens cw et qui est représentée en 31 , et d'autre part la composante verticale fv qui est envoyée dans la branche 82 pour parcourir l'anneau 8 de Sagnac dans le sens ccw et qui est représentée en 32. Dans la suite du texte, sauf mention contraire, le faisceau lumineux parcourant l'anneau 8 de Sagnac dans le sens cw sera par souci de simplicité appelé faisceau cw et le faisceau lumineux parcourant l'anneau 8 de Sagnac dans le sens ccw sera par souci de simplicité appelé faisceau ccw. Les composantes non réciproques des faisceaux lumineux cw et ccw ne sont pas considérées au niveau de la figure 3 par souci de simplicité, elles seront considérées au niveau de la figure 4. Lors de son passage par le dépolariseur 10 de Lyot, l'énergie du faisceau lumineux cw est répartie suivant deux composantes de polarisation, une composante de polarisation horizontale rh et une composante de polarisation verticale rv, composantes qui sont représentées en 33.. Lors de la traversée du séparateur 7 de polarisation, seule la composante de polarisation verticale rv du faisceau lumineux cw, représentée en 35, est renvoyée en direction du filtre spatial monomode 52.More specifically, FIGS. 3 and 4 schematically represent examples of diagrams explaining the operating principle of a fiber optic gyrometer according to the invention corresponding to the preferential case of light polarized at 45 degrees on its arrival on the separator 7 of polarization before being passed through the Sagnac ring 8. In these examples, the Sagnac ring 8 is considered to include a Lyot depolarizer 10 at one of its branches. The H and V axes respectively represent the horizontal and vertical polarizations. FIG. 3 makes it possible to specify the evolution of the reciprocal component of the light beam arriving on the polarization splitter 7, passing through the polarization splitter 7 which separates it into two components, respectively horizontal and vertical, each of the two components undergoing the action of the Lyot depolarizer 10 during its passage through the Sagnac ring 8, crossing the polarization separator 7 again, the two components recombining at the outlet of the polarization separator 7 after having crossed the Sagnac ring 8. During the description of the evolution of the light beam, the losses, in particular by absorption, will be neglected. When it arrives at the polarization splitter 7, the light beam is polarized at 45 degrees, the polarization state of the light beam f being represented at 30. The light beam f is separated by the polarization separator 7 in its two components, on the one hand the horizontal component fh which is sent in the branch 81 to traverse the ring 8 of Sagnac in the direction cw and which is represented in 31, and on the other hand the vertical component fv which is sent in the branch 82 to traverse the ring 8 of Sagnac in the direction ccw and which is represented at 32. In the following text, unless otherwise stated, the light beam traversing the ring 8 of Sagnac in the direction cw will be for the sake of simplicity called the beam cw and the light beam traversing the ring 8 of Sagnac in the direction cw will be for the sake of simplicity called the beam cw. The non-reciprocal components of the light beams cw and ccw are not considered at the level of FIG. 3 for the sake of simplicity, they will be considered at the level of FIG. 4. During its passage through the depolarizer 10 of Lyot, the energy of the light beam cw is distributed along two polarization components, a horizontal polarization component rh and a vertical polarization component rv, components which are shown at 33 .. When crossing the polarization splitter 7, only the vertical polarization component rv of the light beam cw, shown at 35, is returned in the direction of the single-mode spatial filter 52.
Lors de son passage par le dépolariseur 10 de Lyot, l'énergie du faisceau lumineux ccw est répartie suivant deux composantes de polarisation, une composante de polarisation horizontale rh et une composante de polarisation verticale rv, composantes qui sont représentées en 34. Lors de la traversée du séparateur 7 de polarisation, seule la composante de polarisation horizontale rh du faisceau lumineux ccw, représentée en 36, est renvoyée en direction du filtre spatial monomode 52.During its passage through the Lyot depolarizer 10, the energy of the light beam ccw is distributed according to two polarization components, a horizontal polarization component rh and a vertical polarization component rv, components which are represented at 34. During the crossing the polarization splitter 7, only the horizontal polarization component rh of the light beam ccw, shown at 36, is returned in the direction of the single-mode spatial filter 52.
A la sortie du séparateur 7 de polarisation, le faisceau lumineux repartant en direction du filtre spatial monomode 52 est constitué de la recombinaison d'une part de la composante de polarisation verticale rv du faisceau lumineux cw et d'autre part de la composante de polarisation horizontale rh du faisceau lumineux ccw. Ce faisceau lumineux r, constitue la composante réciproque r du faisceau lumineux total repartant vers le filtre spatial monomode 52 et est représenté en 37.At the output of the polarization splitter 7, the light beam leaving in the direction of the single-mode spatial filter 52 consists of the recombination on the one hand of the vertical polarization component rv of the light beam cw and on the other hand of the polarization component horizontal rh of the ccw light beam. This light beam r, constitutes the reciprocal component r of the total light beam going back to the single-mode spatial filter 52 and is represented at 37.
La figure 4 représente sur un même plan, le plan de la figure 4, à la fois la composante réciproque r et la composante non réciproque nr du faisceau lumineux total repartant vers le filtre spatial monomode 52. Cependant la composante réciproque r et la composante réciproque nr sont déphasées de π/2, elles ne sont en toute rigueur donc pas dans le même plan de phase. La composante réciproque r ainsi que ses composantes de polarisation horizontale rh et verticale rv, appartenant toutes à un plan de phase φ=0, sont représentées par des flèches en traits simples, tandis que la composante non réciproque nr ainsi que ses composantes de polarisation horizontale nrh et verticale nrv, appartenant toutes à un autre plan de phase φ=π/2, sont représentées par des flèches en traits doubles. Pour l'un des sens de circulation du faisceau, par exemple le sens ccw, la composante de polarisation horizontale rh de la composante réciproque r donne lieu à une composante de polarisation horizontale nrh de la composante non réciproque nr, déphasée de τr/2 par rapport à la composante non réciproque nr mais de même sens que celle-ci. Pour l'autre sens de circulation du faisceau, ici le sens cw, la composante de polarisation verticale rv de la composante réciproque r donne lieu à une composante de polarisation verticale nrv de la composante non réciproque nr, déphasée de π/2 par rapport à la composante non réciproque nr mais de sens opposé à celle-ci. Comme la composante réciproque r est à 45 degrés, la composante non réciproque nr lui est donc orthogonale. Ainsi, l'ellipticité du faisceau lumineux total retournant vers le filtre spatial monomode 52 est représentative de l'effet non réciproque à mesurer, à savoir l'effet Sagnac, tout comme l'ellipticité du faisceau lumineux arrivant sur le détecteur 3. Le fonctionnement décrit précédemment correspond au cas d'un séparateur 7 total de polarisation et d'une lumière issue de la source 1 polarisée à 45 degrés lors de son arrivée au niveau du séparateur 7 de polarisation avant son passage par l'anneau 8 de Sagnac. Le fonctionnement reste similaire pour d'autres types de polarisation de la lumière émise par la source 1 et/ou d'autres types de séparateurs 7 de polarisation, notamment ceux décrits ultérieurement.FIG. 4 represents on the same plane, the plane of FIG. 4, both the reciprocal component r and the non-reciprocal component nr of the total light beam returning to the single-mode spatial filter 52. However, the reciprocal component r and the reciprocal component nr are phase shifted by π / 2, they are not strictly speaking therefore not in the same phase plan. The reciprocal component r as well as its components of horizontal polarization rh and vertical rv, all belonging to a phase plane φ = 0, are represented by arrows in single lines, while the non-reciprocal component nr as well as its components of horizontal polarization nrh and vertical nrv, all belonging to another phase plane φ = π / 2, are represented by arrows in double lines. For one of the directions of circulation of the beam, for example the direction ccw, the component of horizontal polarization rh of the reciprocal component r gives rise to a component of horizontal polarization nrh of the non-reciprocal component nr, phase shifted by τr / 2 by relation to the non-reciprocal component nr but in the same direction as this one. For the other direction of beam circulation, here the direction cw, the vertical polarization component rv of the reciprocal component r gives rise to a vertical polarization component nrv of the non-reciprocal component nr, phase shifted by π / 2 with respect to the non-reciprocal component nr but of opposite direction to it. As the reciprocal component r is at 45 degrees, the non-reciprocal component nr is therefore orthogonal to it. Thus, the ellipticity of the total light beam returning to the single-mode spatial filter 52 is representative of the non-reciprocal effect to be measured, namely the Sagnac effect, just like the ellipticity of the light beam arriving on the detector 3. Operation described above corresponds to the case of a total polarization splitter 7 and of a light coming from the source 1 polarized at 45 degrees when it arrives at the polarization splitter 7 before it passes through the ring 8 of Sagnac. The operation remains similar for other types of polarization of the light emitted by the source 1 and / or other types of polarization splitters 7, in particular those described later.
Le séparateur 7 de polarisation peut ne pas être total et n'être que partiel. Dans ce cas, le séparateur de polarisation sépare partiellement la lumière incidente selon les deux polarisations déterminées. La portion principale de la lumière incidente qui représente la partie la plus importante de la lumière incidente, qui correspond aux polarisations complémentaires séparées l'une de l'autre par le séparateur 7 de polarisation, qui est passée par l'anneau 8 de Sagnac puis à nouveau par le séparateur 7 de polarisation, est appelée composante principale. La composante principale comportant une composante réciproque et une composante non réciproque représentative de l'effet non réciproque à mesurer. La portion résiduelle de la lumière incidente, qui représente la partie la moins importante de la lumière incidente, qui correspond à la ou aux polarisations n'étant pas séparées de leur polarisation complémentaire respective par le séparateur de polarisation, qui est passée par l'anneau de Sagnac puis par le séparateur de polarisation, est appelée la ou les composantes parasites. La ou les composantes parasites comprennent également une partie réciproque et une partie non réciproque, mais c'est sans intérêt. Dans ce cas, tous les déphasages, entre la ou les composantes parasites et la composante principale, lesdits déphasages étant définis par rapport à la composante principale globalement car le déphasage entre la composante réciproque et la composante non réciproque est négligeable à l'échelle .-desdits déphasages, sont préférentiellement supérieurs à l'inverse de la largeur spectrale de la source de lumière, de manière à ce que la ou les composantes parasites n'interfèrent pas avec la composante principale. Avantageusement, lesdits déphasages sont supérieurs à l'inverse de la largeur spectrale de la source de lumière, d'un facteur valant au moins quelques unités. En effet, dans le cas où le séparateur 7 de polarisation n'est que partiel, une partie de l'une des polarisations déterminées qui circulait, dans le cas préférentiel d'un séparateur 7 total de polarisation, dans l'un des sens de parcours de l'anneau 8 de Sagnac, circule par contre, dans le cas d'un séparateur 7 partiel de polarisation, dans l'autre sens de parcours de l'anneau de Sagnac, se superposant alors à l'autre polarisation déterminée. Par exemple, prenons le cas où l'essentiel de la polarisation horizontale est envoyée par le séparateur 7 de polarisation dans la branche 81 de l'anneau 8 de Sagnac pour le parcourir dans le sens cw et où l'essentiel de la polarisation verticale est envoyée par le séparateur 7 de polarisation dans la branche 82 de l'anneau 8 de Sagnac pour le parcourir dans le sens ccw. Comme le séparateur 7 de polarisation n'est que partiel, par exemple une partie de la polarisation verticale, appelée lumière parasite ou résiduelle, est envoyée dans la branche 82 pour parcourir l'anneau 8 de Sagnac dans le sens cw avec l'essentiel de la polarisation horizontale, appelée lumière principale (c'est en fait la partie de la composante principale qui circule dans le sens cw). On pourrait également considérer une partie de la polarisation horizontale envoyée dans la branche 81 pour parcourir l'anneau 8 de Sagnac dans le sens ccw avec l'essentiel de la polarisation verticale.The polarization splitter 7 may not be total and may only be partial. In this case, the polarization splitter partially separates the incident light according to the two determined polarizations. The main portion of the incident light which represents the most important part of the incident light, which corresponds to the complementary polarizations separated from one another by the polarization splitter 7, which has passed through the ring 8 of Sagnac then again by the polarization splitter 7, is called the main component. The main component comprising a reciprocal component and a non-reciprocal component representative of the non-reciprocal effect to be measured. The residual portion of the incident light, which represents the least important part of the incident light, which corresponds to the polarization or polarizations which are not separated from their respective complementary polarization by the polarization splitter, which has passed through the ring of Sagnac then by the polarization splitter, is called the parasitic component (s). The parasitic component (s) also include a reciprocal part and a non-reciprocal part, but this is of no interest. In this case, all the phase shifts, between the parasitic component or components and the main component, said phase shifts being defined with respect to the main component overall since the phase shift between the reciprocal component and the non-reciprocal component is negligible on the scale. of said phase shifts, are preferably greater than the inverse of the spectral width of the light source, so that the parasitic component or components do not interfere with the main component. Advantageously, said phase shifts are greater than the inverse of the spectral width of the light source, by a factor of at least a few units. Indeed, in the case where the polarization splitter 7 is only partial, part of one of the determined polarizations which circulated, in the preferential case of a total polarization splitter 7, in one of the directions of path of the Sagnac ring 8, on the other hand, circulates, in the case of a partial polarization separator 7, in the other direction of travel of the Sagnac ring, then being superimposed on the other determined polarization. For example, take the case where most of the horizontal polarization is sent by the polarization splitter 7 in branch 81 of Sagnac's ring 8 to travel in the direction cw and where most of the vertical polarization is sent by the polarization splitter 7 in the branch 82 of the Sagnac ring 8 to traverse it in the direction ccw. As the polarization splitter 7 is only partial, for example a part of the vertical polarization, called stray or residual light, is sent in the branch 82 to traverse the ring 8 of Sagnac in the direction cw with the essential of horizontal polarization, called main light (this is actually the part of the main component that circulates in meaning cw). One could also consider a part of the horizontal polarization sent in the branch 81 to traverse the ring 8 of Sagnac in the direction ccw with most of the vertical polarization.
Lors de la traversée d'éléments biréfringents, comme par exemple une fibre optique monomode, une fibre optique à maintien de polarisation ou un dépolariseur de Lyot, une composante spectrale donnée de la lumière parasite se propage en restant orthogonale à la même composante spectrale donnée de la lumière principale. La phase relative de ces deux composantes spectrales données entre elles peut être quelconque à leur sortie respective de l'anneau 8 de Sagnac, et l'interférence que ces deux composantes spectrales données vont générer, lors de leur superposition après traversée du séparateur 7 partiel de polarisation, peut être arbitrairement constructive ou destructive. De plus, cette phase relative est dépendante de la composante spectrale considérée. Une manière de rendre inopérante cette interférence est d'empêcher les deux composantes spectrales d'interférer entre elles, en retardant suffisamment l'une d'entre elles par rapport à l'autre, par exemple en retardant suffisamment la lumière parasite par rapport à la lumière principale. Ainsi le signal lumineux arrivant sur le détecteur 3 sera tout de même exploitable n'ayant pas été dégradé par l'interférence entre lumière principale et lumière parasite. Pour cela les déphasages mentionnés précédemment remplissent la condition d'être suffisamment supérieurs à l'inverse de la largeur spectrale de la source 1 de lumière. Pour respecter cette condition, la somme des différences de chemins optiques entre lumière principale et lumière parasite dues aux différentes biréfringences rencontrées par la lumière sur son parcours est avantageusement choisie suffisamment plus grande que la longueur de cohérence de la source 1 de lumière. Cela se traduit par l'équation suivante :When passing through birefringent elements, such as for example a single-mode optical fiber, a polarization-maintaining optical fiber or a Lyot depolarizer, a given spectral component of the stray light propagates while remaining orthogonal to the same given spectral component of the main light. The relative phase of these two spectral components given to each other can be arbitrary at their respective exit from the Sagnac ring 8, and the interference that these two given spectral components will generate, when they are superimposed after crossing the partial separator 7 of polarization, can be arbitrarily constructive or destructive. In addition, this relative phase is dependent on the spectral component considered. One way to make this interference inoperative is to prevent the two spectral components from interfering with each other, by delaying one of them sufficiently with respect to the other, for example by delaying stray light sufficiently with respect to the main light. Thus the light signal arriving on the detector 3 will still be usable having not been degraded by the interference between main light and stray light. For this, the phase shifts mentioned above fulfill the condition of being sufficiently greater than the inverse of the spectral width of the light source 1. To comply with this condition, the sum of the differences in optical paths between main light and stray light due to the different birefringences encountered by the light on its path is advantageously chosen to be sufficiently greater than the coherence length of the light source 1. This results in the following equation:
Y (An.e) » — ; avec Δn la biréfringence de chaque portion de e Aλ chemin e parcouru par la lumière, T symbolisant la sommation sur e l'ensemble des portions de chemins e, λ la longueur d'onde moyenne du spectre de lumière émis par la source 1 de lumière, Δλ/λ représentant alors la largeur spectrale de la lumière émise par la source 1 de lumière. Si la condition précédente n'est pas respectée, la mesure de l'effet non réciproque devient plus difficile voire impossible. Dans le cas où le séparateur 7 de polarisation est total mais que la lumière polarisée issue de la source 1 de lumière n'est pas polarisée à 45 degrés, soit α la différence entre l'angle de polarisation de cette lumière polarisée et 45 degrés, cet angle est pris en compte au niveau du détecteur 3. Par exemple pour des gyromètres bas coût et moins précis, fonctionnant en boucle ouverte, utilisant une faible longueur de fibre optique dans l'anneau 8 de Sagnac et étant destinés à mesurer de faibles vitesses de rotation, le signal reçu sur le détecteur 3 est exploitable de manière similaire, à un simple facteur Cosα près qui diminue l'ellipticité mesurée par le détecteur 3 pour le faisceau lumineux qu'il reçoit.Y (An.e) ”-; with Δn the birefringence of each portion of e Aλ path e traveled by light, T symbolizing the summation over e the set of path portions e, λ the mean wavelength of the light spectrum emitted by light source 1 , Δλ / λ then representing the spectral width of the light emitted by the light source 1. If the previous condition is not respected, the measurement of the non-reciprocal effect becomes more difficult if not impossible. In the case where the polarization splitter 7 is total but the polarized light coming from the light source 1 is not polarized at 45 degrees, ie α the difference between the polarization angle of this polarized light and 45 degrees, this angle is taken into account at the level of the detector 3. For example for low-cost and less precise gyrometers, operating in open loop, using a short length of optical fiber in the ring 8 of Sagnac and being intended to measure low speeds of rotation, the signal received on the detector 3 can be used in a similar manner, except for a simple factor Cosα which reduces the ellipticity measured by the detector 3 for the light beam it receives.
Dans le mode de réalisation préférentiel selon l'invention, le séparateur 7 de polarisation est total, c'est-à-dire qu'il sépare totalement la lumière incidente selon les deux polarisations déterminées, afin d'empêcher la formation d'une quantité suffisante de lumière parasite dont l'interférence avec la lumière principale dégraderait substantiellement le signal reçu par le détecteur 3 de manière à empêcher alors l'extraction de la composante non réciproque représentative de l'effet non réciproque à mesurer par le dispositif de mesure selon l'invention. De préférence, la lumière polarisée issue de la source 1 de lumière et arrivant sur le séparateur 7 de polarisation est une lumière polarisée sensiblement à 45 degrés de manière à ce que l'énergie lumineuse circulant dans chacun des sens cw ou ccw dans l'anneau 8 de Sagnac soit sensiblement la même.In the preferred embodiment according to the invention, the polarization splitter 7 is total, that is to say that it totally separates the incident light according to the two determined polarizations, in order to prevent the formation of a quantity sufficient stray light whose interference with the main light would substantially degrade the signal received by the detector 3 so as to then prevent the extraction of the non-reciprocal component representative of the non-reciprocal effect to be measured by the measuring device according to the 'invention. Preferably, the polarized light coming from the light source 1 and arriving on the polarization splitter 7 is a light polarized substantially at 45 degrees so that the light energy flowing in each of the directions cw or ccw in the ring 8 of Sagnac is substantially the same.
Le séparateur 7 de polarisation sépare donc, partiellement ou de préférence totalement, deux polarisations complémentaires. Ces deux polarisations complémentaires peuvent être respectivement une polarisation circulaire gauche et une polarisation circulaire droite. Ces deux polarisations complémentaires peuvent aussi être respectivement une polarisation elliptique donnée et une polarisation elliptique orthogonale à la polarisation elliptique donnée. Ces deux polarisations complémentaires sont de préférence une polarisation linéaire donnée, par exemple une polarisation horizontale, et une polarisation linéaire orthogonale à la polarisation donnée, par exemple une polarisation verticale. Le séparateur 7 de polarisation est alors un séparateur de polarisation rectiligne. La source 1 de lumière émet alors avantageusement une lumière polarisée sensiblement à 45 degrés des axes du séparateur 7 de polarisation. Le séparateur 7 préférentiel total de polarisation est par exemple un prisme de Wollaston.The polarization splitter 7 therefore separates, partially or preferably completely, two complementary polarizations. These two complementary polarizations can be respectively a left circular polarization and a right circular polarization. These two complementary polarizations can also be respectively a given elliptical polarization and an elliptical polarization orthogonal to the given elliptical polarization. These two complementary polarizations are preferably a given linear polarization, for example a horizontal polarization, and a linear polarization orthogonal to the given polarization, for example a vertical polarization. The polarization splitter 7 is then a straight polarization splitter. The light source 1 then advantageously emits polarized light substantially at 45 degrees from the polarization splitter 7 axes. The total preferential polarization separator 7 is for example a Wollaston prism.
Afin que le signal arrivant sur le détecteur 3 soit exploitable, le faisceau lumineux arrivant sur le détecteur 3 et véhiculant ce signal correspond à un mode spatial unique présentant un certain état de polarisation qui est représentatif de l'effet non réciproque à mesurer. Le filtre spatial monomode 52 est de préférence un tronçon de fibre optique monomode axiosymétrique, ne laissant passer qu'un seul mode spatial mais laissant passer les deux composantes de polarisation horizontale et verticale de ce mode spatial. De préférence, le filtre spatial monomode 52 n'introduit pas de biréfringence importante, même si cette biréfringence n'a que peu d'influence sur le signal arrivant sur le détecteur 3 dans la mesure où cette biréfringence n'a pas d'effet sur ce signal au premier degré.So that the signal arriving on the detector 3 can be used, the light beam arriving on the detector 3 and conveying this signal corresponds to a unique spatial mode having a certain state of polarization which is representative of the non-reciprocal effect to be measured. The single-mode spatial filter 52 is preferably a section of axiosymmetric single-mode optical fiber, allowing only one spatial mode to pass but allowing the two components of horizontal and vertical polarization of this spatial mode to pass. Preferably, the single-mode spatial filter 52 does not introduce significant birefringence, even if this birefringence has only little influence on the signal arriving on the detector 3 insofar as this birefringence has no effect on this signal in the first degree.
Selon une réalisation du dispositif de mesure selon l'invention, l'anneau 8 de Sagnac est une fibre optique à maintien de polarisation structurée de manière à ce que, d'une branche à l'autre, la lumière selon l'une des polarisations déterminées soit transformée en de la lumière selon l'autre polarisation déterminée complémentaire. Le moyen de transformer la polarisation est par exemple une simple torsion de la fibre optique ou bien quelques coudages de la fibre optique. Par exemple, la lumière polarisée horizontalement entrant dans l'anneau 8 de Sagnac par la branche 81 en ressorte par la branche 82 en étant polarisée verticalement et la lumière polarisée verticalement entrant dans l'anneau 8 de Sagnac par la branche 82 en ressorte par la branche 81 en étant polarisée horizontalement. Cette réalisation empêche tout évanouissement du signal grâce à la présence de la fibre optique à maintien de polarisation dans laquelle le signal ne peut pas basculer d'une polarisation à l'autre au cours de sa propagation dans l'anneau 8 de Sagnac car les vitesses de propagation respectives des différentes polarisations dans la fibre à maintien de polarisation sont différentes.According to an embodiment of the measuring device according to the invention, the Sagnac ring 8 is an optical fiber with polarization maintenance structured so that, from one branch to another, the light according to one of the polarizations determined is transformed into light according to the other complementary determined polarization. The means of transforming the polarization is for example a simple twist of the optical fiber or else a few bends of the optical fiber. For example, the horizontally polarized light entering the ring 8 of Sagnac by the branch 81 comes out through the branch 82 while being vertically polarized and the vertically polarized light entering the ring 8 of Sagnac by the branch 82 comes out through the branch 81 while being horizontally polarized. This embodiment prevents any fading of the signal thanks to the presence of the polarization maintaining optical fiber in which the signal cannot switch from one polarization to another during its propagation in the Sagnac ring 8 because the speeds respective propagation of the different polarizations in the polarization maintaining fiber are different.
Selon une autre réalisation préférentielle du dispositif de mesure selon l'invention, l'une des branches de l'anneau 8 de Sagnac comprend un dépolariseur 10 de Lyot. Dans ce cas, la fibre optique constituant l'anneau 8 de Sagnac peut être une fibre optique ordinaire. La présence du dépolariseur de Lyot assure qu'à la sortie de chaque branche de l'anneau 8 de Sagnac, la lumière est répartie sensiblement pour partie et avantageusement pour moitié en polarisation horizontale, c'est-à-dire dans une composante de polarisation horizontale et pour partie et avantageusement pour moitié en polarisation verticale, c'est-à-dire dans une composante de polarisation verticale. En présence d'une fibre optique ordinaire et en l'absence de tout élément type dépolariseur 10 de Lyot, dans certains cas, il y a un risque d'évanouissement total du signal, si ce signal a complètement basculé d'une polarisation à l'autre, car alors, après traversée du séparateur 7 de polarisation, aucun signal n'est renvoyé vers le filtre spatial monomode 52 et donc vers le détecteur 3. Seul ce basculement complet d'une polarisation à l'autre est vraiment gênant car en cas d'un basculement seulement partiel, le signal existe toujours mais a une intensité moindre, ce qui peut réduire la sensibilité du dispositif. Ce basculement complet d'une polarisation à l'autre peut se produire dans certaines conditions de variations de température ou de pression sur la fibre optique ordinaire constituant l'anneau 8 de Sagnac. Même si en moyenne, avec cette autre réalisation préférentielle, environ la moitié de l'énergie est perdue lors de la traversée du séparateur 7 de polarisation après passage par l'anneau 8 de Sagnac, au contraire de la précédente réalisation avec fibre à maintien de polarisation où l'essentiel de l'énergie retraversait le séparateur 7 de polarisation en direction du détecteur 3, il est possible d'utiliser une fibre optique ordinaire au lieu d'une fibre optique à maintien de polarisation, ce qui est appréciable. D'autres dispositifs ayant la même fonction que le dépolariseur 10 de Lyot sont envisageables. De préférence, le premier séparateur 4 est un séparateur partiel de polarisation structuré de manière à augmenter, au niveau de l'état de polarisation du signal lumineux arrivant sur le détecteur 3, le rapport entre la polarisation complémentaire à la polarisation émise par la source et la polarisation émise par la source. Les séparateurs partiels de polarisation sont connus dans le domaine de la détection magnéto-optique. L'utilisation d'un tel premier séparateur 4 partiel de polarisation a deux avantages. Le premier avantage est qu'à l'aller, c'est-à-dire sur le chemin allant de la source 1 de lumière à l'anneau 8 de Sagnac, la plus grande partie de la lumière traverse le premier séparateur 4 partiel de polarisation pour continuer en direction de l'anneau 8 de Sagnac, et non pas seulement la moitié comme dans le cas d'une lame semi-réfléchissante constituant le premier séparateur 4. Le deuxième avantage est qu'au retour, c'est-à-dire sur le chemin allant de l'anneau 8 de Sagnac vers le détecteur 3, une partie importante de la lumière revenant sur le premier séparateur 4 partiel de polarisation et étant selon la polarisation émise par la source 1 est renvoyée dans une direction qui n'est pas celle du détecteur 3, tandis que la lumière revenant sur le premier séparateur 4 partiel de polarisation et étant selon la polarisation complémentaire à la polarisation émise par la source 1 , c'est-à- dire représentative de l'effet non réciproque, est en grande partie renvoyée en direction du détecteur 3. L'ellipticité du faisceau lumineux arrivant sur le détecteur 3 s'en trouve nettement amplifiée, par exemple d'un facteur trois comme sur les figures 5 et 6.According to another preferred embodiment of the measuring device according to the invention, one of the branches of the ring 8 of Sagnac comprises a depolarizer 10 of Lyot. In this case, the optical fiber constituting the Sagnac ring 8 can be an ordinary optical fiber. The presence of the Lyot depolarizer ensures that at the outlet of each branch of the ring 8 of Sagnac, the light is distributed substantially partly and advantageously for half in horizontal polarization, that is to say in a component of horizontal polarization and partly and advantageously for half in vertical polarization, that is to say in a vertical polarization component. In the presence of an ordinary optical fiber and in the absence of any Lyot type depolarizing element 10, in certain cases, there is a risk of total fading of the signal, if this signal has completely switched from polarization to l 'other, because then, after crossing the polarization splitter 7, no signal is returned to the single-mode spatial filter 52 and therefore to the detector 3. Only this complete switch from one polarization to another is really annoying because in in the case of only partial tilting, the signal still exists but at a lower intensity, which can reduce the sensitivity of the device. This complete tilting from one polarization to another can occur under certain conditions of temperature or pressure variations on the ordinary optical fiber constituting the Sagnac ring 8. Even if on average, with this other preferred embodiment, approximately half of the energy is lost during the crossing of the polarization splitter 7 after passing through the Sagnac ring 8, unlike the previous embodiment with fiber holding polarization where most of the energy passed through the polarization splitter 7 towards the detector 3, it is possible to use an ordinary optical fiber instead of an optical fiber with polarization maintenance, which is appreciable. Other devices having the same function as the Lyot depolarizer 10 can be envisaged. Preferably, the first separator 4 is a partial polarization separator structured so as to increase, at the level of the polarization state of the light signal arriving at the detector 3, the ratio between the polarization complementary to the polarization emitted by the source and the polarization emitted by the source. Partial polarization splitters are known in the field of magneto-optical detection. The use of such a first partial polarization separator 4 has two advantages. The first advantage is that on the way out, that is to say on the path from source 1 of light to ring 8 of Sagnac, most of the light passes through the first partial separator 4 of polarization to continue towards the ring 8 of Sagnac, and not only the half as in the case of a semi-reflecting plate constituting the first separator 4. The second advantage is that on the return, that is to say on the path going from the ring 8 of Sagnac towards the detector 3, a significant part of the light returning to the first partial polarization splitter 4 and being according to the polarization emitted by the source 1 is returned in a direction which is not that of the detector 3, while the light returning to the first splitter 4 partial polarization and being according to the polarization complementary to the polarization emitted by the source 1, that is to say representative of the non-reciprocal effect, is largely returned towards the detector 3. The ellipticity of the light beam arriving at the detector 3 is clearly amplified, for example by a factor of three as in FIGS. 5 and 6.
Les figures 5 et 6 représentent schématiquement des exemples de diagrammes expliquant le principe de fonctionnement d'un séparateur partiel de polarisation utilisé comme premier séparateur 4 de lumière dans le gyromètre à fibre optique selon l'invention. Les axes H et V représentent respectivement les polarisations horizontale et verticale. Après être passé par l'anneau 8 de Sagnac et en arrivant sur le premier séparateur 4 partiel de polarisation, le faisceau lumineux présente un état de polarisation elliptique dont la valeur a du grand axe est représentatif de la composante réciproque tandis que la valeur b du petit axe est représentatif de la composante non réciproque. L'ellipticité de cet état de polarisation qui est représenté à la figure 5 vaut b/a. Dans le cas où le faisceau lumineux est passé par un premier séparateur 4 partiel de polarisation et lorsque le faisceau lumineux arrive sur le détecteur 3, le faisceau lumineux présente un état de polarisation elliptique dont la valeur a' du grand axe est représentatif de la composante réciproque tandis que la valeur b du petit axe est représentatif de la composante non réciproque. La valeur a' étant inférieure à la valeur a, l'ellipticité de cet état de polarisation qui est représenté à la figure 6 vaut b/a' et est donc plus importante, ce qui rend ladite ellipticité plus aisément détectable au niveau du système d'analyse d'état de polarisation que comprend le détecteur 3.FIGS. 5 and 6 schematically represent examples of diagrams explaining the operating principle of a partial polarization splitter used as the first light splitter 4 in the fiber optic gyrometer according to the invention. The H and V axes respectively represent the horizontal and vertical polarizations. After passing through the Sagnac ring 8 and arriving at the first partial polarization splitter 4, the light beam has an elliptical polarization state whose value a of the major axis is representative of the reciprocal component while the value b of the minor axis is representative of the non-reciprocal component. The ellipticity of this state of polarization which is represented in figure 5 is worth b / a. In the case where the light beam has passed through a first partial polarization splitter 4 and when the light beam arrives at the detector 3, the light beam has an elliptical polarization state whose value a 'of the major axis is representative of the component reciprocal while the value b of the minor axis is representative of the non-reciprocal component. The value a 'being less than the value a, the ellipticity of this state of polarization which is represented in FIG. 6 is worth b / a' and is therefore greater, which makes said ellipticity more easily detectable at the level of the system d polarization state analysis included in the detector 3.
Le système d'analyse d'état de polarisation que comprend le détecteur 3 est préférentiellement un système d'analyse de l'ellipticité du faisceau lumineux arrivant sur le détecteur 3, dans le cas préférentiel où le séparateur 7 de polarisation est un séparateur de polarisation rectiligne.The polarization state analysis system that the detector 3 comprises is preferably a system for analyzing the ellipticity of the light beam arriving on the detector 3, in the preferential case where the polarization splitter 7 is a rectilinear polarization splitter.
Le détecteur 3 comporte de préférence une lame quart d'onde variable en fonction du temps, dont les axes de biréfringence sont fixes, dont l'un des axes de biréfringence est parallèle à la polarisation émise par la source, et dont chacun des axes de biréfringence devient alternativement lent ou rapide. Le sens de l'ellipticité de l'état de polarisation du faisceau lumineux arrivant sur le détecteur 3, représentatif de l'effet non réciproque à mesurer en généra! et du sens de rotation dans le cas d'un gyromètre à fibre optique en particulier, peut être déterminé de cette façon. Une telle chaîne de détection que comprend le détecteur 3 est peu ou pas sensible aux désalignements des différents éléments qui la composent et aux déséquilibres électroniques provenant des éléments électroniques- qu'elle contient. La lame quart d'onde est de préférence un modulateur élasto- optique. Ce modulateur élasto-optique est par exemple constitué par un milieu isotrope du type verre ou plastique comprimé par des éléments piézoélectriques. Une force de compression de quelques kilogrammes par millimètre peut alors suffire à créer une biréfringence de 90 degrés.The detector 3 preferably comprises a quarter wave plate which is variable as a function of time, the axes of birefringence of which are fixed, of which one of the axes of birefringence is parallel to the polarization emitted by the source, and of which each of the axes of birefringence alternately becomes slow or fast. The sense of ellipticity of the state of polarization of the light beam arriving on the detector 3, representative of the non-reciprocal effect to be measured in general! and the direction of rotation in the case of a fiber optic gyrometer in particular can be determined in this way. Such a detection chain that the detector 3 includes is little or not sensitive to misalignments of the various elements which compose it and to electronic imbalances originating from the electronic elements it contains. The quarter wave plate is preferably an elasto-optical modulator. This elasto-optical modulator is for example constituted by an isotropic medium of the glass or plastic type compressed by piezoelectric elements. A compression force of a few kilograms per millimeter can then be enough to create a 90 degree birefringence.
Selon une réalisation du détecteur 3 du dispositif de mesure selon l'invention, le détecteur 3 comporte successivement, en aval de la lame quart d'onde, un analyseur à 45 degrés de la lame quart d'onde, c'est-à-dire dont les axes sont à 45 degrés des axes de la lame quart d'onde, un détecteur élémentaire photoélectrique recevant l'une des composantes du signal lumineux analysé, des moyens de détection synchrone réalisant au niveau de la sortie du détecteur élémentaire photoélectrique la soustraction entre la série des valeurs hautes du signal et la série des valeurs basses du signal, les valeurs soustraites deux à deux étant d'une part l'une haute et l'autre basse et d'autre part contiguës entre elles, la valeur moyenne des résultats de la soustraction étant représentative de l'effet non réciproque. Selon une autre réalisation préférentielle du détecteur 3 du dispositif de mesure selon l'invention, le détecteur 3 comporte successivement, en aval de la lame quart d'onde, un analyseur à 45 degrés de la lame quart d'onde, deux détecteurs élémentaires photoélectriques recevant chacun une des composantes du signal lumineux analysé, un amplificateur différentiel pouvant réaliser la soustraction entre les deux signaux respectivement issus des détecteurs élémentaires photoélectriques, des moyens de détection synchrone réalisant au niveau de la sortie de l'amplificateur différentiel la soustraction entre la série des valeurs hautes du signal et la série des valeurs basses du signal, les valeurs soustraites deux à deux étant d'une part l'une haute et l'autre basse et d'autre part contiguës entre elles, la valeur moyenne des résultats de la soustraction étant représentative de l'effet non réciproque. Le biais éventuellement apporté par l'utilisation d'un amplificateur différentiel est supprimé par l'utilisation des moyens de détection synchrone. L'utilisation de deux détecteurs élémentaires photoélectriques est avantageuse dans la mesure où elle permet l'augmentation du rapport signal à bruit.According to one embodiment of the detector 3 of the measuring device according to the invention, the detector 3 successively comprises, downstream of the quarter-wave plate, an analyzer at 45 degrees from the quarter-wave plate, that is to say say whose axes are 45 degrees from the axes of the quarter-wave plate, an elementary photoelectric detector receiving one of the components of the analyzed light signal, synchronous detection means performing at the level of the output of the elementary photoelectric detector the subtraction between the series of high values of the signal and the series of low values of the signal, the values subtracted two by two being on the one hand one high and the other low and on the other hand contiguous between them, the mean value of the results of the subtraction being representative of the non-reciprocal effect. According to another preferred embodiment of the detector 3 of the measuring device according to the invention, the detector 3 successively comprises, downstream of the quarter-wave plate, an analyzer at 45 degrees from the quarter-wave plate, two elementary photoelectric detectors each receiving one of the components of the analyzed light signal, a differential amplifier capable of performing the subtraction between the two signals respectively from the elementary photoelectric detectors, synchronous detection means performing at the output of the differential amplifier the subtraction between the series of high values of the signal and the series of low values of the signal, the values subtracted two by two being on the one hand one high and the other low and on the other hand contiguous between them, the average value of the results of the subtraction being representative of the non-reciprocal effect. The bias possibly brought by the use of a differential amplifier is eliminated by the use of synchronous detection means. The use of two elementary photoelectric detectors is advantageous insofar as it allows the signal-to-noise ratio to be increased.
De préférence, le détecteur 3 comporte, immédiatement en amont des moyens de détection synchrone, des moyens de numérisation du signal électrique, ce qui permet de ne pas introduire de biais au niveau des moyens de détection synchrone qui se fera de manière numérique.Preferably, the detector 3 comprises, immediately upstream of the synchronous detection means, means for digitizing the electrical signal, which makes it possible not to introduce bias at the level of the synchronous detection means which will be done digitally.
La figure 7 représente schématiquement un exemple de détecteur 3 utilisé dans un gyromètre à fibre optique selon l'invention, correspondant à l'autre réalisation préférentielle du détecteur 3. Après être passé par le premier séparateur 4 de lumière, et avoir été renvoyé en direction du détecteur 3 représenté dans son ensemble sur la figure 7, le faisceau lumineux présente un état de polarisation constitué d'une composante réciproque r1 et d'une composante non réciproque nr1 déphasée de π/2 par rapport à la composante réciproque r1 , dans le cas préférentiel d'un séparateur 7 total de polarisation et d'une lumière polarisée à 45 degrés à son arrivée sur le séparateur 7 total de polarisation avant son passage par l'anneau 8 de Sagnac. Le faisceau lumineux passe par un modulateur élasto-optique 71 commandé par des moyens 70 de commande. Après son passage par le modulateur élasto-optique 71 , l'état de polarisation du faisceau lumineux est constitué par une composante réciproque r2 parallèle à la composante réciproque r1 et par une composante non réciproque nr2 parallèle à la composante non réciproque nr1. Les composantes réciproque r2 et non réciproque nr2 sont maintenant en phase car leur déphasage a été supprimé par le modulateur élasto-optique 71 lequel a alternativement retardé et avancé la composante non réciproque par rapport à la composante réciproque, puisque les axes du modulateur 71 sont parallèles aux axes de l'ellipse constituant l'état de polarisation elliptique du faisceau lumineux avant sa traversée du modulateur 71. Ainsi, l'état de polarisation elliptique est devenu un état de polarisation qui oscille alternativement entre deux polarisations rectilignes ayant la même composante réciproque mais des composantes non réciproques de signe opposé. La valeur de cette oscillation est donc représentative de l'ellipticité du faisceau lumineux arrivé sur le détecteur 3 et par conséquent de l'effet non réciproque à mesurer. Le faisceau lumineux traverse ensuite un analyseur 72 à 45 degrés du modulateur 71. Les projections de l'oscillation précédente sur chacun des axes de l'analyseur 72 sont représentatives de l'effet non réciproque à mesurer. Ces projections constituent des signaux lumineux respectivement envoyés sur les détecteurs élémentaires photoélectriques 73 et 74. Chacun des signaux électriques à la sortie des détecteurs élémentaires 73 et 74 est représentatif de l'effet non réciproque à mesurer. Un amplificateur différentiel effectue la différence entre ces signaux électriques afin de s'affranchir en grande partie du bruit de la source 1 de lumière. Cette différence est représentative de l'effet non réciproque à mesurer. Cette différence représente un signal électrique qui est numérisé par des moyens 76 de numérisation. Des moyens 77 de détection synchrone, synchronisés avec les moyens 70 de commande du modulateur 71 , réalisent au niveau de la sortie des moyens 76 de numérisation, la soustraction entre la série des valeurs hautes du signal numérisé et la série des valeurs basses du signal numérisé. Les valeurs soustraites deux à deux sont d'une part l'une haute et l'autre basse et d'autre part contiguës entre elles, c'est-à-dire que la soustraction est effectuée par exemple entre la première valeur haute et la première valeur basse, puis entre la deuxième valeur haute et la deuxième valeur basse, et ainsi de suite. La valeur moyenne des résultats de cette soustraction est représentative de l'effet non réciproque à mesurer. R E V E N D I C A T I O N SFIG. 7 schematically represents an example of detector 3 used in a fiber optic gyrometer according to the invention, corresponding to the other preferred embodiment of detector 3. After having passed through the first light separator 4, and having been returned towards of the detector 3 represented as a whole in FIG. 7, the light beam has a polarization state consisting of a reciprocal component r1 and a non-reciprocal component nr1 phase shifted by π / 2 with respect to the reciprocal component r1, in the preferential case of a total polarization separator 7 and of a light polarized at 45 degrees on its arrival on the total polarization separator 7 before it passes through the ring 8 of Sagnac. The light beam passes through an elasto-optical modulator 71 controlled by control means 70. After passing through the elasto-optical modulator 71, the state of polarization of the light beam is constituted by a reciprocal component r2 parallel to the reciprocal component r1 and by a non-reciprocal component nr2 parallel to the non-reciprocal component nr1. The reciprocal r2 and non-reciprocal nr2 components are now in phase because their phase shift has been eliminated by the elasto-optical modulator 71 which has alternately delayed and advanced the non-reciprocal component with respect to the reciprocal component, since the axes of the modulator 71 are parallel to the axes of the ellipse constituting the elliptical polarization state of the light beam before it crosses the modulator 71. Thus, the elliptical polarization state has become a polarization state which oscillates alternately between two rectilinear polarizations having the same reciprocal component but non-reciprocal components of opposite sign. The value of this oscillation is therefore representative of the ellipticity of the light beam arriving on the detector 3 and therefore of the non-reciprocal effect to be measured. The light beam then passes through an analyzer 72 at 45 degrees from the modulator 71. The projections of the previous oscillation on each of the axes of the analyzer 72 are representative of the non-reciprocal effect to be measured. These projections constitute light signals respectively sent to the elementary photoelectric detectors 73 and 74. Each of the electrical signals at the output of the elementary detectors 73 and 74 is representative of the non-reciprocal effect to be measured. A differential amplifier makes the difference between these electrical signals in order to largely overcome the noise of the light source 1. This difference is representative of the non-reciprocal effect to be measured. This difference represents an electrical signal which is digitized by digitizing means 76. Means 77 for synchronous detection, synchronized with the means 70 for controlling the modulator 71, perform at the output of the digitization means 76, the subtraction between the series of high values of the digitized signal and the series of low values of the digitized signal . The values subtracted two by two are on the one hand a high and the other low and on the other hand contiguous between them, that is to say that the subtraction is carried out for example between the first high value and the first low value, then between the second high value and the second low value, and so on. The average value of the results of this subtraction is representative of the non-reciprocal effect to be measured. CLAIMS
1. Dispositif de mesure d'un effet non réciproque comportant, une source (1) de lumière, un filtre spatial monomode (52), un anneau (8) de Sagnac ayant deux branches (81 , 82), un séparateur (7) de lumière répartissant la lumière sur les branches (81 , 82) de l'anneau (8), un détecteur (3) de lumière, caractérisé en ce que le séparateur (7) est un séparateur de polarisation, en ce que le filtre (52) est non polarisant, et en ce que le détecteur (3) comprend un système d'analyse d'état de polarisation.1. Device for measuring a non-reciprocal effect comprising, a light source (1), a single-mode spatial filter (52), a Sagnac ring (8) having two branches (81, 82), a separator (7) light distributing the light on the branches (81, 82) of the ring (8), a light detector (3), characterized in that the splitter (7) is a polarization splitter, in that the filter ( 52) is non-polarizing, and in that the detector (3) comprises a polarization state analysis system.
2. Dispositif de mesure d'un effet non réciproque comportant plusieurs éléments optiques parmi lesquels, une source (1) de lumière, un détecteur (3) de lumière, un filtre spatial monomode (52), un anneau (8) de Sagnac ayant deux branches (81 , 82), deux séparateurs (4, 7) de lumière, lesdits éléments optiques étant disposés de manière à ce que, d'une part une première partie de la lumière émise par la source (1) puisse successivement passer par le premier séparateur (4), par le filtre2. Device for measuring a non-reciprocal effect comprising several optical elements among which, a light source (1), a light detector (3), a single-mode spatial filter (52), a Sagnac ring (8) having two branches (81, 82), two light separators (4, 7), said optical elements being arranged so that, on the one hand, a first part of the light emitted by the source (1) can successively pass through the first separator (4), through the filter
(52), par le deuxième séparateur (7), entrer par la première branche (81) de l'anneau (8) pour ressortir par la deuxième branche (82) de l'anneau (8), passer par le deuxième séparateur (7), par le filtre (52), par le premier séparateur (4), et arriver sur le détecteur (3), et d'autre part une deuxième partie de la lumière émise par la source (1) puisse successivement passer par le premier séparateur (4), par le filtre (52), par le deuxième séparateur (7), entrer par la deuxième branche(52), through the second separator (7), enter through the first branch (81) of the ring (8) to exit through the second branch (82) of the ring (8), go through the second separator ( 7), by the filter (52), by the first separator (4), and arrive on the detector (3), and on the other hand a second part of the light emitted by the source (1) can successively pass through the first separator (4), through the filter (52), through the second separator (7), enter through the second branch
(82) de l'anneau (8) pour ressortir par la première branche (81) de l'anneau(82) of the ring (8) to come out through the first branch (81) of the ring
(8), passer par le deuxième séparateur (7), par le filtre (52), par le premier séparateur (4), et arriver sur le détecteur (3), lesdits éléments optiques étant structurés et disposés de manière à ce que, la lumière qui est issue de la source (1) et qui arrive au niveau du deuxième séparateur (7) avant d'être passée dans l'anneau (8) de Sagnac, soit une lumière polarisée, (8), pass through the second separator (7), through the filter (52), through the first separator (4), and arrive at the detector (3), said optical elements being structured and arranged so that, the light which comes from the source (1) and which arrives at the level of the second separator (7) before having passed through the ring (8) of Sagnac, that is to say a polarized light,
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