[0001] La présente invention concerne de manière générale le domaine des systèmes interférométriques.

[0002] Elle concerne plus particulièrement un système interférométrique à fibre optique en boucle ou bien en ligne. Un tel système interférométrique trouve notamment des applications dans les gyroscopes à fibre optique (ou FOG pour fiber-optic gyroscope, voir « The Fiber-Optic Gyroscope », H. C. Lefèvre, Artech House, Second Edition, 2014). Un tel système interférométrique trouve aussi des applications dans les capteurs de courant électrique (ou FOCS pour fiber-optic current sensor) ou encore les capteurs de champ magnétique.

[000S] Elle concerne en particulier un système et procédé interférométrique à fibre optique de grande précision.

Technique antérieure

[0004] La figure 1 représente schématiquement un système interférométrique à fibre optique en boucle de Sagnac selon l'art antérieur. Ce système interférométrique à fibre optique comporte une source de lumière 20 émettant un faisceau source 100, un séparateur source-récepteur 22, dit séparateur de récepteur, un circuit optique intégré multifonction 14 (noté MIOC pour Multifunction Integrated Optical Circuit en terminologie anglo-saxonne), une bobine de fibre optique 17, un photodétecteur 18 et un système de traitement du signal 900. Le circuit optique intégré 14 comprend des guides d'onde optiques formés de préférence par échange protonique (ou APE pour Annealed Proton Exchange) sur un substrat plan électro-optique, par exemple de niobate de lithium. L'échange protonique sur niobate de lithium conduit à la formation de guides mono-polarisation. Le guide d'onde d'entrée-sortie forme donc un polariseur 24 à guide d'onde monomode qui ne guide qu'une seule polarisation linéaire. Le circuit optique intégré 14 comprend aussi un séparateur de bobine 15 de type à jonction Y formé par division du guide d'onde d'entrée-sortie en deux branches secondaires monomodes. De façon avantageuse, le circuit optique intégré 14 comprend aussi des électrodes reliées à un générateur électrique pour former un modulateur électro- optique ou modulateur de phase 16 adapté pour moduler la différence de phase DF entre deux faisceaux contra-propagatifs. Le substrat plan du circuit optique intégré multifonction 14 peut aisément être relié sur un côté aux deux extrémités de la bobine de fibre optique 17 et sur un côté opposé par une section de fibre optique 23 au séparateur source-récepteur 22.

[0005] Le séparateur de bobine 15 sépare spatialement le faisceau source 100 en une première onde monomode 101 et une seconde onde monomode 102, qui se propagent dans des directions opposées dans la bobine de fibre optique 17. En sortie de la bobine, le séparateur de bobine 15 recombine ces deux ondes monomodes pour former un faisceau interférométrique 300. Le séparateur source-récepteur 22 guide le faisceau interférométrique 300 vers le photodétecteur 18. Le détecteur 18 reçoit le faisceau interférométrique et génère un signal détecté 80.

[0006] Le système de traitement du signal 900 comprend par exemple un convertisseur analogique-numérique 19, un processeur numérique 30, par exemple de type DSP (Digital Signal Processor), FPGA (Field Programmable Gâte Array) ou ASIC (Application Spécifie Integrated Circuit), et un convertisseur numérique-analogique 31. Le processeur numérique 30 permet d'extraire un signal d'un paramètre à mesurer 90, par exemple de vitesse de rotation, sur une sortie numérique. Le convertisseur numérique- analogique 31 permet d'appliquer une tension de modulation 60 sur les électrodes du modulateur optique de phase 16.

[0007] Lorsque le système interférométrique est au repos, les deux faisceaux divisés émergent de la bobine de fibre optique en phase, du fait de la réciprocité des trajets optiques dans la bobine de fibre optique.

[0008] Toutefois, en présence de phénomènes physiques susceptibles de produire des effets non-réciproques sur le trajet optique des deux faisceaux contra-propagatifs dans la bobine de fibre optique 7, une différence de phase apparaît dans le faisceau interférométrique détecté. La réponse en boucle ouverte d'un système interférométrique tel que décrit ci-dessus est une fonction de la différence de phase DF liée à la grandeur à mesurer selon l'équation suivante, où P est la puissance du faisceau interférométrique retour 300, Po étant elle la puissance maximum retour quand DF=0.

[0009] [Math 1]

[0010] Parmi les principaux phénomènes physiques induisant des effets non-réciproques, la rotation du système interférométrique autour de l'axe de la bobine de fibre optique induit une différence de phase proportionnelle à la vitesse de rotation. De cette propriété, appelée effet Sagnac, découle la principale application d'un interféromètre en boucle de Sagnac à un gyroscope pour mesurer une vitesse de rotation autour de l'axe de la bobine de fibre optique. En effet, lors d'une rotation de l'interféromètre autour de l'axe de la bobine de fibre optique 17, une différence de phase A4> _s est induite par le paramètre à mesurer. En présence d'effet Sagnac dans un FOG, la différence de phase A4> _s est proportionnelle à la vitesse de rotation.

[0011] L'effet Faraday ou effet magnéto-optique colinéaire est aussi connu pour produire des effets non-réciproques. Les interféromètres à fibre optique en boucle ou en ligne ont des applications comme capteur de champ magnétique ou comme capteur de courant électrique (voir la publication J. Blake et al. « In-Line Sagnac Interferometer Current Sensor » IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11, n° 1, pages 116-121, 1996).

[0012] Un interféromètre de Sagnac conventionnel, dit en boucle, utilise un chemin optique refermé, le même composant optique séparateur 15 séparant les deux ondes et les recombinant, les deux ondes séparées parcourant le chemin optique refermé en sens mutuellement opposés. Dans un interféromètre à fibre optique en boucle, les deux ondes séparées utilisent le même état de polarisation sur le chemin optique refermé. Dans un gyromètre à fibre optique en boucle, les deux ondes ont la même polarisation linéaire. Dans un capteur de courant en boucle, les deux ondes ont la même polarisation circulaire dans la boucle de fibre optique. Dans un interféromètre à fibre optique en ligne, un miroir est disposé à une extrémité de la bobine de fibre optique, et le chemin optique refermé est parcouru par les deux ondes dans le même sens et suivant des états orthogonaux de polarisation qui s'inversent au retour (voir la publication G.M. Muller et al. « Inhérent température compensation of fiber-optic current sensors employing spun highly biréfringent fiber", Optics Express, Vol. 24, No 10, 2016).

[0013] Par rapport à un système en boucle, un tel système interférométrique à fibre optique en ligne est insensible aux variations de nombreux paramètres environnementaux mais fonctionne de façon équivalente pour la question de la modulation de phase.

[0014] Les techniques de modulation de phase, bien connues de l'homme du métier dans les interféromètres à fibre optique, sont utilisées pour améliorer la sensibilité et la linéarité de la réponse de l'interféromètre à une différence de phase due à un effet non réciproque, par exemple l'effet Sagnac ou l'effet Faraday magnéto-optique colinéaire. Dans le présent document, on entend par grandeur à mesurer une différence de phase induite par un effet non-réciproque dans un interféromètre à fibre optique en boucle ou en ligne.

[0015] La figure 2 représente un modulateur de phase 16 dans un interféromètre à fibre optique en boucle de l'art antérieur.

[0016] Dans le domaine ci-dessus, il est connu d'appliquer une tension électrique modulée Vm(t) entre les électrodes du modulateur de phase 16 pour moduler la différence de phase AO _m (t) du signal interférométrique mesuré. Cette modulation permet une mise au biais qui augmente la sensibilité du système interférométrique, notamment pour des mesures de rotation de faible amplitude. Plus précisément, le modulateur de phase 16 génère un déphasage < _m (t) qui est réciproque, c'est-à-dire parfaitement identique dans les deux sens de propagation. Toutefois, il existe une différence de temps de propagation, notée Dt, entre le chemin optique le plus long qui passe par la bobine de fibre optique 17 et le chemin optique le plus court qui ressort directement vers le séparateur-combineur 15. Cette différence de temps de propagation Dt est liée à la vitesse de groupe v _g des ondes et non à leur vitesse de phase V<D. On obtient ainsi une modulation de la différence de phase AO _m (t) selon l'équation suivante.

[0017] [Math 2] [0018] Cette modulation du déphasage O _m (t) est obtenue en appliquant une tension électrique modulée V _m (t) 60 sur les électrodes du modulateur de phase 16.

[0019] Il est aussi possible d'avoir un deuxième modulateur placé à l'autre extrémité de la bobine et de le connecter électriquement en inverse pour doubler l'efficacité de modulation dans une configuration dite push-pull. Le circuit 14 de la figure 1 utilise un tel montage push-pull pour le modulateur 16 qui est placé sur les deux branches de la jonction Y.

[0020] En particulier, il est connu d'appliquer une modulation dite 2-états, en modulant la tension de modulation V _m en carré entre deux valeurs de paliers, de manière à produire une modulation de la différence de phase sur deux niveaux, par exemple de ACD _b (t) = ± p/2 , dite différence de phase de mise au biais, à la fréquence propre f _p de la bobine de fibre optique. La fréquence propre f _p est définie de telle manière que T/2 = l/(2.f _p ) = Dt où T représente la période de la modulation carrée. Ainsi, la demi-période de modulation T/2 correspond à la différence de temps de propagation de groupe Dt entre le chemin optique long passant par la bobine et le chemin optique court qui relient le modulateur de phase 16 au séparateur 15. Le système de détection acquiert la puissance du faisceau interférométrique en sortie de l'interféromètre suivant les deux états de modulation. Le système de traitement du signal numérise le faisceau interférométrique détecté et démodule à f _p le signal détecté en échantillonnant deux mesures de puissance sur chaque période de modulation et en affectant un signe négatif à un premier niveau et un signe positif au niveau suivant. Ce schéma de modulation-démodulation basé sur une tension de modulation carrée générant 2 états à la fréquence f _p permet d'obtenir une meilleure sensibilité du système interférométrique et une meilleure stabilité des mesures autour de zéro, indépendamment des variations de la puissance de sortie. Il est à noter qu'on observe des pics entre les mesures successives du signal détecté.

[0021] Il est aussi connu d'appliquer une modulation carrée à 2 états avec une modulation de la différence de phase AO _m (t) supérieure à ± p/2, comme par exemple ± Bp/4 ou ± 7p/8. Cette surmodulation diminue la sensibilité mais améliore le rapport signal à bruit du système interférométrique. [0022] Afin d'étendre et de linéariser la dynamique de réponse d'un système interférométrique, il est aussi connu d'appliquer un signal de contre-réaction. Le signal démodulé est utilisé comme signal d'erreur dans une boucle d'asservissement pour générer une différence de phase supplémentaire A< FB qui s'oppose à la différence de phase A< s de la grandeur à mesurer. La différence de phase totale A< FB + A< s est asservie à zéro et -A< FB , qui est égale à A< s, devient la mesure, ce qui permet d'obtenir une réponse linéaire et une bonne stabilité de celle-ci, indépendamment des variations de puissance ou du gain du système de détection.

[0023] Dans le domaine ci-dessus, le brevet FR2654827_A1 propose d'appliquer une tension de modulation dite 4-états qui génère 4 niveaux successifs de AO _m (t) sur chaque période de modulation T égale à 2Dt. La figure 3 illustre un exemple de modulation à 4 états.. Sur la figure 3, on a représenté respectivement : en bas à gauche, la modulation de la différence de phase DF en fonction du temps t ; en haut à gauche, la puissance P du faisceau interférométrique en fonction de la différence de phase DF ; et, en haut à droite, la puissance P du faisceau interférométrique en fonction du temps. Sur une période de modulation égale à 2 Dt, les 4 états i=l, 2, 3, 4 correspondent aux 4 niveaux successifs de DF _GP (Ϊ) respectivement : i=l pour p - alpha ; 2 pour p + alpha ; 3 pour - p + alpha ; 4 pour - p - alpha. Dans l'exemple illustré sur la figure 3, pour alpha = p/4, les 4 niveaux de DF _GP (Ϊ) sont les suivants : 3p/4, 5p/4, -3p/4, -5p/4. Cette modulation se décompose en une superposition d'une première modulation de ±p à la fréquence propre f _p (représentée en trait pointillé sur la figure 3 en bas à gauche) et d'une seconde modulation de ±p/4 en quadrature (représentée en tirets sur la figure 3 en bas à gauche). La modulation résultant de la superposition de la première modulation de ±p et de la seconde modulation de ±p/4 est représentée en trait continu sur la figure 3 en bas à gauche. Cette modulation DF _GP (Ϊ) présente quatre niveaux par période de modulation. En pratique, ceci peut être obtenu lorsque le modulateur de phase génère une modulation du déphasage < _m (t) de ±p/2 à la fréquence propre f _p et de ±TI/8 en quadrature. Une rampe de phase numérique de contre-réaction peut être ajoutée. Les marches de durée Dt de cette rampe numérique sont égales à A< _FB et compensent la différence de phase signal A< s. Les quatre états correspondant aux quatre niveaux de modulation sont représentés par des points sur la courbe P en fonction de la différence de phase DF. Sur la figure S en haut à droite, est représentée la puissance détectée P(t) en fonction du temps. On échantillonne 4 mesures de puissance sur chaque période de modulation. Autrement dit, on note P, la mesure de puissance détectée par le détecteur recevant le faisceau interférométrique correspondant aux quatre états i = 1,..., 4 sur une période de modulation. Pour extraire le signal de la grandeur à mesurer, le système de traitement du signal démodule le signal de puissance détecté sur 4 états en multipliant par +1 les deux états correspondant à + alpha et en multipliant par -1 les deux états correspondant à - alpha, indépendamment du signe du ±p de ces états. Le signal de la grandeur à mesurer est ici aussi démodulé à la fréquence propre f _p . Dans la modulation 4-états, le signal de la grandeur à mesurer, par exemple le signal Sagnac, présente une modulation carrée à la fréquence propre f _p et est en phase avec la modulation à ± alpha et en quadrature de phase avec la modulation à ± p. Dans la modulation 4-états, la différence de phase signal A< s de la grandeur à mesurer est calculée à partir du signal Ss selon l'expression suivante, où les mesures P, de puissance pour les états i=l, ..., 4 sont acquises sur une période de modulation T égale à 2 Dt.

[0024] [Math B]

S _s = — i + P ₂ + P-i— P4

[0025] Dans la modulation 4-états, il est aussi possible d'extraire un signal, dit n _p, modulé à 2f _p . Le signal n _p représente la fonction de transfert du modulateur de phase, c'est-à- dire le rapport entre la tension appliquée V _m au modulateur et le déphasage < _m induit, avec n _p /p = V _m /® _tn . Or ce signal n _p fluctue avec l'environnement, par exemple avec la température. La démodulation du signal V^ s'obtient en multipliant les mesures P, de puissance échantillonnées sur chaque état par le signe du produit des signes des modulations ± p et ± alpha. Autrement dit, le signe + est appliqué pour les mesures correspondant aux états + p + alpha et - p - alpha, et le signe - est appliqué pour les mesures correspondant aux états + p - alpha et - p + alpha. La modulation 4-états permet d'asservir simultanément à zéro la différence de phase et d'asservir le réglage du signal n _p. Dans la modulation 4-états, le signal d'erreur de la fonction de transfert du modulateur, donc du n _p, est calculé selon l'expression suivante.

[0026] [Math 4] ^s v _n - —Pi + P2 ^~ P3 + P4

[0027] Dans le domaine des systèmes interférométriques à fibre optique, le brevet EP2005113_B1 décrit une modulation dite 6-états, basée sur 4 niveaux de différence de phase de mise au biais. La figure 4 illustre un exemple de modulation à 6 états modulée à 3f _p . Sur la figure 4, on a représenté respectivement : en bas à gauche, la modulation de la différence de phase DF en fonction du temps t ; en haut à gauche, la puissance P du faisceau interférométrique en fonction de la différence de phase DF ; et, en haut à droite, la puissance P du faisceau interférométrique en fonction du temps t sur une période de modulation égale à 2 Dt. Cette modulation 6-états peut se décomposer en une superposition d'une première modulation du déphasage < _m (t) de ±p/2 à la fréquence propre f _p et d'une seconde modulation du déphasage < _m (t) à ±alpha/2 à 3fp. La seconde modulation est synchronisée avec la première modulation. Autrement dit, on obtient une différence de phase modulée DF _GP (Ϊ) de ±p à la fréquence propre f _p (représentée en trait pointillé sur la figure 4 en bas à gauche) et de ialpha à 3f _p (représentée en tirets sur la figure 4 en bas à gauche). La modulation de la différence de phase résultant de la superposition de la modulation de ±p et de la modulation de ialpha est représentée en trait continu sur la figure 4 en bas à gauche. Cette modulation DF _GP (Ϊ) présente quatre niveaux par période de modulation. Plus généralement, on génère une différence de phase modulée DF _GP (Ϊ) de ±p à la fréquence propre f _p et de ialpha à (2k+l).f _p où k est un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1. Les quatre niveaux de modulation sont représentés par des points sur la courbe P en fonction de la différence de phase DF. Sur la figure 4 en haut à droite, est représentée la puissance détectée P(t) en fonction du temps. On échantillonne 6 mesures de puissance sur chaque période de modulation. Avec une modulation 6-états, on extrait le signal du paramètre à mesurer, par exemple le signal Sagnac, à 3f _p en appliquant une démodulation multipliant par +1 les mesures de puissance correspondant aux états en + alpha et multipliant par -1 les autres mesures de puissance correspondant aux états en - alpha, indépendamment du signe de ±p de ces états. Dans la modulation 6-états, les états sont numérotés : i=l pour p - alpha ; i=2 pour p + alpha ; i=3 pour p - alpha ; i=4 pour - p + alpha ; i=5 pour - p - alpha ; et, i=6 pour- p + alpha. Le signal de la grandeur à mesurer Ss est calculé selon l'expression suivante, où les mesures de puissances P, pour les états i = 1, 6 sont acquises sur une période de modulation T égale à 2 Dt.

[0028] [Math 5]

S _s = ^~ Pi+ P2 - P3 + P4 - P5 + Pe

[0029] Dans la modulation 6-états, il est aussi possible d'extraire un signal n _p. La démodulation du signal n _p s'obtient en multipliant les mesures de puissance échantillonnées successivement par 0, +1 et -1. En effet, comme dans le 4-états, la démodulation du signal V _n s'obtient en multipliant les mesures P, de puissance, échantillonnées sur chaque état, par le signe du produit des signes des modulations ± p et ± alpha, mais tout en ne conservant qu'un même nombre d'états multipliés par le signe + et d'états multipliés par le signe Dans la modulation 6-états, le signal d'erreur de la fonction de transfert du modulateur est calculé selon l'expression suivante.

[0030] [Math 6]

$n _p ⁼ P2 P3 P P3 Pe

[0031] Le brevet EP2005113_B1 décrit aussi l'utilisation d'une modulation à 8 états et 8 niveaux sur une période totale T égale à 4 Dt. Selon cette modulation 8-états conventionnelle, la modulation est effectuée d'abord sur 4 états hauts correspondant à ± (alpha + beta) puis sur 4 autres états bas correspondant à ± (alpha - beta). La figure 5 représente schématiquement en haut à droite la puissance P(t) détectée en sortie du système interférométrique en fonction de la différence de phase AO _m (t) de modulation (courbe en bas à gauche). Cette modulation AO _m (t) présente 8 niveaux sur une période de modulation T égale à 4 Dt. Les 8 états de modulation sont numérotés de 1 à 8 sur la courbe de mesure de puissance P(t), en haut à droite, en fonction de leur ordre d'apparition sur une période de modulation. Sur la figure 5 en bas à gauche, on a représenté une modulation 4-états de ±p et i(alpha-beta) à la fréquence propre f _p (en pointillés), une modulation additionnelle (en tirets) de -2beta, -2beta, +2beta, +2beta, zéro, zéro, zéro et zéro sur la période 4 Dt ; et en trait continu, la modulation de la différence de phase totale résultant de la superposition de ces deux modulations. Cette modulation totale correspond donc à la succession d'une modulation 4-états de ±p et ±(alpha+beta) sur 4 états hauts pendant une demi-période 2 Dt et d'une modulation 4- états sur 4 états bas en ±p et ± (alpha-beta) sur la demi-période suivante.

[0032] Sur la partie en haut à gauche de cette figure 5, sont indiqués les différents niveaux de modulation a ⁺ correspond au niveau de modulation DF ₃₊ = p + alpha + beta a correspond au niveau de modulation DF _3- = p + alpha - beta b ⁺ correspond au niveau de modulation DF _b+ = p - alpha + beta b correspond au niveau de modulation DF^ = p - alpha - beta c ⁺ correspond au niveau de modulation DF ₀₊ = -p + alpha +beta c correspond au niveau de modulation DF _<> = -p + alpha - beta d ⁺ correspond au niveau de modulation DF _ά+ = -p - alpha + beta d correspond au niveau de modulation DF _ά- = -p - alpha - beta.

[0033] La puissance de sortie P est échantillonnée en 8 mesures Pi correspondant aux 8 états i = 1, ..., 8 par période de modulation. Les niveaux de modulation correspondant à ces états sont : d- pour l'état 1 ; b- pour l'état 2 ; a+ pour l'état 3 ; c+ pour l'état 4 ; d+ pour l'état 5 ; b+ pour l'état 6 ; a- pour l'état 7 ; c- pour l'état 8. La démodulation du signal du paramètre à mesurer (Sagnac par exemple) et celle du signal Vn s'effectuent sur les 8 états de façon analogue à celles du 4-états. Dans cette modulation 8-états, le signal de la grandeur à mesurer est calculé selon l'expression suivante, où les mesures de puissances Pi pour les huit états successifs i = 1, ..., 8 sont acquises sur une période de modulation T égale à 4Dt.

[0034] [Math 7]

S _s = -Pi - P2 + P3 + P4 - P5 - P6 + P7 + P8

[0035] Dans cette modulation 8-états, le signal d'erreur de la fonction de transfert du modulateur est calculé selon l'expression suivante.

[0036] [Math 8]

[0037] Dans un système interférométrique à fibre optique tel que décrit ci-dessus, il est souhaitable d'ajuster la puissance de sortie sur le détecteur. A cet effet, dans le schéma de modulation 8-états décrits ci-dessus, il est connu d'extraire la fonction de transfert du système de détection de l'interféromètre, aussi appelée réponse en boucle ouverte, et noté signal DR, de manière à asservir cette réponse en boucle ouverte par exemple en ajustant la puissance de la source lumineuse. Cette mesure se fait en détectant la différence de puissance DR entre les 4 états hauts (d ; b ; a ⁺ ; c ⁺ ) et les 4 états bas (d ⁺ ; b ⁺ ; a ; c ) avec un calcul selon l'expression suivante.

[00B8] [Math 9]

¾P ⁼ Pl + P + P3 + P4— P5— ^6— P7— Pe

[0039] Il est souhaitable d'améliorer les performances d'un système interférométrique à fibre optique à boucle ou en ligne et notamment d'augmenter la précision des mesures, la stabilité, la linéarité et/ou la dynamique de réponse d'un tel système.

Exposé de l'invention

[0040] Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose un interféra mètre à fibre optique en boucle ou en ligne comprenant une source lumineuse adaptée pour générer un faisceau source, un dispositif optique de séparation adapté pour séparer le faisceau source en une première onde monomode et une seconde onde monomode, un système électronique adapté pour appliquer une tension électrique de modulation V _m (t) à un modulateur de phase apte à induire un même déphasage O _m (t) sur la première onde monomode et la seconde onde monomode, un ensemble de fibres optiques adapté pour recevoir et propager la première onde monomode suivant un premier chemin optique et, respectivement, la seconde onde monomode suivant un second chemin optique inverse du premier chemin optique, et pour former après une différence de temps de propagation Dt, une première onde de sortie et, respectivement, une seconde onde de sortie, ayant une différence de phase modulée AO _m (t) = O _m (t) - F,h(ΐ-Dt), l'ensemble de fibre optique ayant une fréquence propre f _p égale à l'inverse du double de la différence de temps de propagation Dt, le dispositif optique de séparation étant adapté pour recombiner la première onde de sortie et la seconde onde de sortie et former un faisceau interférométrique modulé temporellement et un système de détection adapté pour détecter une puissance P(t) du faisceau interférométrique en fonction du temps.

[0041] Plus particulièrement, on propose selon l'invention un interféromètre dans lequel la différence de phase modulée AO _m (t) est égale à la somme d'une première différence de phase périodique DF _p (ΐ) de niveau égal à ± p, d'une deuxième différence de phase AO _aipha (t) périodique de niveau égal à ialpha et d'une troisième différence de phase AO _beta (t) périodique de niveau variable entre -beta et +beta, alpha et beta ayant des valeurs différentes prédéterminées, de manière à ce que la différence de phase modulée AO _m (t) ait une période de modulation T égale à un multiple impair (2M+1) du double de la différence de temps de propagation Dt, où M est un nombre entier naturel, la différence de phase modulée AO _m (t) comportant par période de modulation T au moins huit niveaux de modulation parmi les douze niveaux de modulation suivants: A(Da+ = p + alpha + beta ; DF ₃ - = p + alpha - beta ; DF ₃ = p + alpha ; DF _b+ = p - alpha + beta ; DF^ = p - alpha - beta ; DF _b = p - alpha ; DF ₀₊ = -p + alpha +beta ; DF _o = -p + alpha - beta ; DF ₀ = -p + alpha ; DF _ά+ = -p - alpha + beta ; DF _ά - = -p - alpha - beta ; DF _ά = -p - alpha et cette différence de phase modulée étant telle que

[0042] Selon un mode de réalisation particulier et avantageux, la période de modulation T est égale au double de la différence de temps de propagation Dt, la première différence de phase DF _p (ΐ) a une fréquence de modulation égale à la fréquence propre f _p et la deuxième différence de phase DF _3ΐr ^(ΐ) et la troisième différence de phase DF _beta (t) ont une même fréquence de modulation égale à un multiple impair (2N+1) de la fréquence propre f _p , où N est un nombre entier naturel non nul, la deuxième différence de phase DF ₃ i^ ₃ (ΐ) étant synchronisée avec la première différence de phase DF _p (ΐ), la troisième différence de phase DF _beta (t) étant en quadrature de phase par rapport à la deuxième différence de phase DF ₃ (ΐ).

[0043] Selon un autre mode de réalisation particulier et avantageux, la période de modulation T est égale au double de la différence de temps de propagation Dt, la troisième différence de phase DF _beta (t) ayant une fréquence de modulation égale à la fréquence propre f _p et la première différence de phase DF _p (ΐ) et la deuxième différence de phase DF ₃ i^ ₃ (ΐ) ont une même fréquence de modulation égale à un multiple impair (2N+1) de la fréquence propre f _p , où N est un nombre entier naturel non nul, la deuxième différence de phase étant en quadrature de phase par rapport à la première différence de phase, la troisième différence de phase DF _beta (t) étant synchronisée avec la première différence de phase ou la deuxième différence de phase. [0044] Selon encore un autre mode de réalisation particulier et avantageux, M est un nombre entier non nul, la première différence de phase DF _p (ΐ) et la deuxième différence de phase AO _ai ha(t) ont une même fréquence de modulation égale à la fréquence propre f _p , la deuxième différence de phase étant en quadrature de phase par rapport à la première différence de phase et la troisième différence de phase AObeta(t) ayant une période de modulation égale à la période de modulation T, cette troisième différence de phase étant synchronisée avec la première différence de phase ou la deuxième différence de phase.

[0045] D'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de l'interféromètre conforme à l'invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes.

[0046] Le système de détection comporte un système électronique de démodulation adapté pour extraire un signal représentatif d'une grandeur à mesurer, un signal de fonction de transfert du modulateur de phase et/ou un signal de fonction de transfert du système de détection à partir d'une série d'au moins 12 mesures de puissance du faisceau interférométrique détecté par période de modulation.

[0047] Le signal représentatif de la grandeur à mesurer est égal à une somme des mesures de puissance du faisceau interférométrique acquises par période de modulation, chaque mesure de puissance étant multipliée par -1 pour les niveaux correspondant à - alpha et par +1 pour les niveaux correspondant à + alpha.

[0048] Le signal de fonction de transfert du modulateur de phase est égal à une somme des mesures de puissance du faisceau interférométrique acquises par période de modulation, chaque mesure de puissance étant multipliée par le signe du produit du signe de la première modulation à ±p et du signe + ou - de la deuxième modulation à ± alpha, ou par zéro de manière à conserver un même nombre d'états multipliés par le signe + et d'états multipliés par le signe -.

[0049] Le signal de fonction de transfert du système de détection est égal à une somme des mesures de puissance du faisceau interférométrique acquises par période de modulation, chaque mesure de puissance étant multipliée par le signe du produit du signe de la deuxième modulation à ± alpha et du signe de la troisième modulation à ± beta lorsque le niveau de cette dernière modulation est +beta ou -beta, et par 0 lorsque le niveau de cette troisième modulation beta est nul.

[0050] La différence de phase modulée AO _m (t) comporte en outre une rampe composée de marches de phase ACDFB opposées à une différence de phase ACDs du signal représentatif de la grandeur à mesurer.

[0051] Le dispositif optique de séparation est adapté pour séparer spatialement le faisceau source en la première onde monomode et la seconde onde monomode et l'ensemble de fibres optiques comporte une bobine de fibre optique adaptée pour recevoir la première onde monomode à une première extrémité de la bobine de fibre optique et, respectivement, la seconde onde monomode à une seconde extrémité de la bobine de fibre optique, la première onde monomode et la seconde onde monomode se propageant en sens inverse dans la bobine de fibre optique.

[0052] La première onde monomode et la seconde onde monomode sont polarisées linéairement et la bobine de fibre optique est à maintien de polarisation linéaire, l'interféromètre étant adapté pour mesurer une différence de phase représentative d'une rotation autour d'un axe de la bobine de fibre optique.

[0053] L'ensemble de fibres optiques comporte une section de fibre optique à maintien de polarisation linéaire, la bobine de fibre optique à maintien de polarisation circulaire et une autre section de fibre optique à maintien de polarisation linéaire, une lame quart d'onde étant disposée entre la section de fibre optique et une extrémité de la bobine de fibre optique, une autre lame quart d'onde étant disposée entre l'autre section de fibre optique et l'autre extrémité de la bobine de fibre optique, l'interféromètre étant adapté pour mesurer une différence de phase induite par un courant électrique traversant la bobine de fibre optique.

[0054] L'ensemble de fibres optiques comporte une section de fibre optique à maintien de polarisation linéaire et une bobine de fibre optique à maintien de polarisation circulaire, la section de fibre optique étant reliée à une extrémité de la bobine de fibre optique, un miroir étant disposé à une seconde extrémité de la bobine de fibre optique, l'interféromètre étant adapté pour mesurer une différence de phase induite par un courant électrique traversant la bobine de fibre optique. [0055] L'interfé rom être comprend un système de rétroaction adapté pour asservir la mesure du signal représentatif de la grandeur à mesurer, du signal de fonction de transfert du modulateur de phase et/ou du signal de fonction de transfert du système de détection.

[0056] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

[0057] L'interfé rom être à fibre optique de la présente divulgation permet d'améliorer la précision des mesures de la grandeur à mesurer, par exemple du déphasage Sagnac, en s'affranchissant des erreurs induites par la constante de temps RC du circuit électrique de commande du modulateur de phase, qui affecte notamment les mesures obtenues par une modulation 8-états conventionnelle. L'interfé rom être à fibre optique de la présente divulgation permet aussi de mesurer la fonction de transfert de l'interfé rom être par la mesure de différence de puissance DR entre états hauts et états bas.

Brève description des dessins

[0058] De plus, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l'invention et où :

[Fig. 1] représente schématiquement un système interférométrique de Sagnac à fibre optique en boucle pour application à un gyroscope à fibre optique selon l'art antérieur ;

[Fig. 2] représente un modulateur de phase dans un système interférométrique à fibre optique en boucle, pour générer une différence de phase modulée AO _m (t) pour la mise au biais du signal selon l'art antérieur ;

[Fig. B] représente schématiquement un exemple de différence de phase modulée AO _m (t) appliquée sur un modulateur de phase, suivant une modulation 4-états de l'art antérieur, la position des 4 états de modulation sur la courbe de réponse de l'interféromètre et les 4 mesures de puissance P(t) détectée en fonction du temps ici sur trois périodes de modulation ; [Fig. 4] représente schématiquement un exemple de différence de phase modulée AO _m (t) appliquée sur un modulateur de phase, suivant une modulation 6-états de l'art antérieur, la position des 6 états de modulation sur la courbe de réponse de l'interféromètre et les 6 mesures de puissance P(t) détectée en fonction du temps sur une période de modulation ;

[Fig. 5] représente schématiquement un exemple de différence de phase modulée AO _m (t) appliquée sur un modulateur de phase, suivant une modulation 8-états de l'art antérieur, la position des 8 états de modulation sur la courbe de réponse de l'interféromètre et les 8 mesures de puissance P(t) détectée en fonction du temps ;

[Fig. 6] représente schématiquement la différence de phase modulée appliquée en présence d'une constante de temps RC de la chaîne de modulation de phase, dans une modulation 8-états conventionnelle, l'effet de la constante de temps RC sur la puissance P(t) du système interférométrique et le signal parasite résiduel en absence de rotation d'un système interférométrique Sagnac obtenu par démodulation classique de cette modulation 8-états ;

[Fig. 7] illustre un premier mode de réalisation basé sur une modulation à 8 niveaux de AOm(t) et 12 états de la puissance P(t) détectée correspondante ;

[Fig. 8] illustre un deuxième mode de réalisation basé sur une modulation à 8 niveaux de AOm(t) et 12 états de la puissance P(t) détectée correspondante ;

[Fig. 9] illustre un troisième mode de réalisation basé sur une modulation à 8 niveaux de AOm(t) et 12 états de la puissance P(t) détectée correspondante ;

[Fig. 10] représente schématiquement, un exemple de modulation suivant le troisième mode de réalisation et la puissance P(t) détectée en présence d'un signal Sagnac ;

[Fig. 11] représente schématiquement un système interférométrique à fibre optique en boucle pour application à un capteur de courant électrique selon la présente divulgation ;

[Fig. 12] représente schématiquement un système interférométrique à fibre optique en ligne pour application à un capteur de courant électrique selon la présente divulgation ;

[Fig. 13] représente schématiquement un autre système interférométrique à fibre optique en ligne pour application à un capteur de courant électrique selon la présente divulgation. [0059] Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références.

Description détaillée

[0060] Dans un système interférométrique à modulation de phase tel que décrit en lien avec la figure 1, le modulateur de phase 16 est alimenté avec un circuit électrique de commande qui a un temps de réponse RC, aussi appelé constante de temps, lié à la résistance de charge R entre les électrodes de ce modulateur de phase et à la capacité électrique C de ces électrodes. La résistance R est de l'ordre de 50 à 500 ohms. La capacité électrique d'une électrode de 10 mm de long d'un modulateur sur circuit optique intégré (par exemple de niobate de lithium) est de l'ordre de B pF, soit une capacité C d'environ 12 pF pour une paire d'électrodes push-pull de 20 mm de long. Dans ce cas, on peut estimer la valeur de la constante de temps RC du modulateur de phase à environ 1 à 10 ns. De manière générale, la constante de temps RC du circuit de commande d'un modulateur de phase est comprise entre 0, 5 et 50 ns. On peut noter qu'avec certains montages électriques, il n'y a pas de résistance de charge entre les électrodes et cette constante de temps est alors donnée par le produit gain-bande de l'amplificateur du circuit de commande.

[0061] La présente divulgation montre que cette constante de temps RC peut influencer les performances d'un système interférométrique et propose différents schémas de modulation et de démodulation pour réduire ou même annuler les effets négatifs induits par la constante de temps RC du modulateur de phase.

[0062] La figure 6 illustre le cas d'une modulation classique à 8 états sur laquelle on fait apparaître l'effet du temps de réponse électrique RC du modulateur de phase. Pour faire apparaître graphiquement l'effet du temps de réponse électrique RC sur la figure 6 on a choisi une valeur élevée de RC : RC = Dt/12. La figure 6 représente schématiquement la puissance P(t) détectée en sortie du système interférométrique en fonction d'une part de la différence de phase DF (courbe en haut à gauche) et, d'autre part, du temps t (courbe en haut à droite). La figure 6 représente aussi la différence de phase modulée AO _m (t) en fonction du temps (courbe en bas à gauche). Sur cette courbe de différence de phase modulée AO _m (t) en fonction du temps, on observe que cette différence de phase ne suit pas la forme carrée idéale mais suit une courbe en exponentielle qui atteint chaque niveau de différence de phase avec un retard lié à la constante de temps RC.

[0063] Enfin, la figure 6 représente, en bas à droite, une courbe temporelle de différence de puissance entre les états 1 et 3, et 5 et 7 ainsi que 2 et 4 et 6 et 8, tels qu'ils sont démodulés pour mesurer la différence de phase signal A< s avec une démodulation conventionnelle (voir équation Math 7) dans un interféra mètre à 8 états en absence de rotation de cet interféra mètre de Sagnac.

[0064] En effet, lorsque le processeur numérique 10 et le convertisseur numérique- analogique 11 génèrent un signal de commande C _m (t) de modulation carrée commutant entre deux paliers, le temps de réponse électrique RC fait que la tension de commande Vm(t) effectivement appliquée au modulateur et la différence de phase modulée AO _m (t) qu'elle génère n'atteignent pas instantanément le niveau souhaité. Plus précisément, chaque niveau de différence de phase modulée AO _m (t) suit une courbe exponentielle en (1 - exp(-t/RC)) qui part du niveau précédent et tend de manière asymptotique vers la valeur souhaitée pour ce niveau. Sur la courbe de puissance P en fonction du temps, il en résulte que deux états du signal interférométrique mesuré correspondant théoriquement à un même niveau de puissance mais partant de niveaux précédents différents ne sont en fait pas identiques car ils n'ont pas le même historique. Pour la modulation 8-états, la démodulation classique du signal relatif à la grandeur mesurée est basée sur des différences entre les puissances mesurées pour les paires d'états 1 et 3, 5 et 7, 2 et 4, 6 et 8 (voir équation Math 7). Notamment, l'état 8, qui précède l'état 1 (modulo T), est de niveau inférieur à l'état 2, qui précède l'état 3, si bien que les états 1 et 3 ne sont pas parfaitement identiques, n'ayant pas le même historique, et que leur différence qui est calculée dans la démodulation n'est pas parfaitement nulle en absence de rotation, donc quand A< s = 0. De même, l'état 4, précédant l'état 5, est de niveau supérieur à l'état 6, précédant l'état 7, si bien que les états 5 et 7 ne sont pas non plus identiques, n'ayant pas non plus le même historique. Or, il est fondamental que la démodulation du signal de la grandeur à mesurer donne bien zéro et ne génère aucun défaut lorsque le paramètre à mesurer dans l'interféromètre est nul, notamment aucun défaut dans un interféromètre de Sagnac en absence de rotation. [0065] Sur la courbe en bas à droite de la figure 6, on observe bien que la différence de puissance calculée dans la démodulation de la grandeur à mesurer n'est pas nulle, en particulier pour la différence entre les états 1 et B ainsi que 5 et 7. Un tel système interférométrique de l'art antérieur génère donc des défauts. L'ordre de grandeur de ces défauts peut correspondre à une différence de phase parasite de l'ordre de 10 ⁴ à 10 ⁵ radian, alors qu'on cherche une stabilité de zéro de l'ordre de 10 ⁸ à 10 ⁹ radian.

[0066] La présente divulgation propose différentes techniques de modulation et de démodulation adaptées pour atténuer ou même supprimer les défauts induits par la constante de temps RC du circuit de commande du modulateur de phase dans un système interférométrique générant au moins 8 niveaux par période de modulation et 12 états par période de démodulation.

[0067] La figure 7 illustre un premier mode de réalisation basé sur une modulation à 8 niveaux de modulation et 12 états.

[0068] Dans la suite du présent document on entend par niveau (ou niveau de modulation) la valeur asymptotique des différentes valeurs de différence de phase modulée DF _GP pour chaque palier de modulation. On entend par états de modulation, les différentes valeurs de puissance P mesurées correspondant aux niveaux de modulation qui s'enchaînent sur chaque période de modulation. Sur une période de modulation, plusieurs états peuvent utiliser un même niveau de modulation.

[0069] Dans le premier mode de réalisation, en lien avec la figure 7, on applique une tension de modulation suivant 8 niveaux sur une période de modulation T égale à 2 Dt. Plus précisément, on applique un signal de commande C _m (t) de modulation en créneaux constituée de la somme de trois modulations carrées. La première modulation carrée est adaptée pour induire une première différence de phase DF _p (ΐ) égale à ± p. La première différence de phase DF _p (ΐ) est périodique à la fréquence propre f _p . La deuxième modulation carrée est adaptée pour induire une deuxième différence de phase DF ₃ i _ή3 (ΐ) égale à ± alpha. La deuxième différence de phase DF ₃ i _ή3 (ΐ) est périodique et a une fréquence de modulation égale à un multiple impair (2N+1) de la fréquence propre f _p , où N est un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1. La deuxième différence de phase DF ₃ i _ή3 (ΐ) est synchronisée avec la première différence de phase DF _p (ΐ). La troisième modulation carrée est adaptée pour induire une troisième différence de phase AObeta(t) égale à ± beta. La troisième différence de phase AObeta(t) est périodique et a une fréquence de modulation égale au même multiple impair (2N+1) de la fréquence propre f _p . La troisième différence de phase AObeta(t) est en quadrature de phase par rapport à la deuxième différence de phase AOaipha(t), autrement dit retardée de T/12 par rapport à la deuxième différence de phase AO _aiP ha(t) dans le cas de la figure où 2N+1=3. Dans le cas général, c'est un retard de T/(4(2N+1)). La différence de phase modulée AO _m (t) résultante de cette modulation est égale à la somme de la première différence de phase périodique DF _p (ΐ), de la deuxième différence de phase DF _3ΐr ^(ΐ) et de la troisième différence de phase DF _beta (t) suivant l'équation suivante.

[0070] [Math 10]

[0071] Dans l'exemple illustré sur la figure 7 _, 1e nombre N est égal à 1, la fréquence de la deuxième différence de phase DF ₃ i^ ₃ (ΐ) et de la troisième différence de phase DF _beta (t) est égale à 3f _p et on a choisi les valeurs suivantes pour alpha et beta : alpha = 3p/8 et beta = 3p/128. La période T vaut 2Dt, sachant que Dt est de l'ordre de 5 ps pour un kilomètre. La constante RC a été exagérée par rapport à la réalité pour rendre la figure 7 plus lisible. RC vaut ici environ 1/20 de Dt.

[0072] Sur la courbe DF _GP (Ϊ) de la figure 7, on a représenté en traits pointillés la modulation suivant 6 états/4 niveaux résultant de la somme de la première différence de phase DF _p (ΐ) modulée à f _p et de la deuxième différence de phase DF _3ΐr ^(ΐ) modulée à 3f _p . On a représenté en traits tiretés la troisième différence de phase DF _beta (t) modulée sur 2 niveaux à 3fp en quadrature de phase relativement à la deuxième différence de phase DF _3ΐr ^(ΐ). Enfin, on a représenté en trait continu la différence de phase modulée DF _GP (Ϊ) OU modulation totale résultant de la somme de la modulation en pointillés et de la modulation en tirets. La différence de phase modulée DF _GP (Ϊ) présente 8 niveaux par période T=2Dt. Toutefois, cette modulation sur 8 niveaux est différente de la modulation sur 8 niveaux de l'art antérieur (illustrée par exemple sur les figures 5 et 6). On observe l'effet de la constante de temps RC sur la courbe de la différence de phase modulée AO _m (t). Chaque niveau de différence de phase modulée suit une courbe exponentielle en (1 - exp(-t/RC)) qui part du niveau précédent.

[007B] A chaque période T, cette modulation de la différence de phase AO _m (t) génère les 8 niveaux de modulation suivants AO _m (t) = ± p ± alpha ± beta. Ces huit niveaux de modulation correspondent aux points notés a ⁺ , a , b ⁺ , b , c ⁺ , c , d ⁺ et d sur la courbe de puissance en fonction de la différence de phase.

[0074] Sur la figure 7 a ⁺ correspond au niveau de modulation DF ₃₊ = p + alpha + beta a correspond au niveau de modulation DF _3- = p + alpha - beta b ⁺ correspond au niveau de modulation DF _b+ = p - alpha + beta b correspond au niveau de modulation DF^ = p - alpha - beta c ⁺ correspond au niveau de modulation DF ₀₊ = -p + alpha +beta c correspond au niveau de modulation DF _<> = -p + alpha - beta d ⁺ correspond au niveau de modulation DF _ά+ = -p - alpha + beta d correspond au niveau de modulation DF _ά- = -p - alpha - beta.

[0075] Sur la courbe de puissance de sortie P en fonction du temps, les 8 niveaux de différence de phase modulée DF _GP (Ϊ) s'enchaînent en une séquence de 12 états par période de modulation T dans l'ordre suivant : b b ⁺ a ⁺ a b b ⁺ c ⁺ c d d ⁺ c ⁺ c .

[0076] Le détecteur recevant le faisceau interférométrique acquiert 12 mesures P, de puissance par période de modulation T correspondant aux douze états i = 1,..., 12. Autrement dit, le détecteur échantillonne le signal de puissance P à la fréquence 12 f _p . Plus généralement, pour une modulation de la deuxième différence de phase DF _3ΐr ^(ΐ) et de la troisième différence de phase DF _beta (t) à (2N+l).f _p , on échantillonne à 4.(2N+l).f _p . Sur la courbe de puissance en fonction du temps, on observe clairement l'effet de la constante de temps RC du circuit de commande du modulateur de phase sur les mesures de puissance détectée. La valeur de chaque mesure de puissance P, atteint un plateau suivant une courbe en exponentielle qui dépend de l'écart entre les deux valeurs asymptotiques successives de puissance.

[0077] Selon le signal recherché, on applique une démodulation spécifique. Plus précisément, pour extraire le signal de la grandeur à mesurer, par exemple le signal Sagnac, on utilise une démodulation des 12 états acquis. Sur la période de modulation T égale à 2Dt, on applique les signes dans l'ordre suivant aux 12 mesures de puissance Pi Autrement dit, on multiplie la mesure de puissance P, par -1 pour les niveaux correspondant à - alpha et par +1 pour les niveaux correspondant à + alpha, indépendamment du signe des modulations à ± p et ± beta. Ainsi, la démodulation du signal de la grandeur à mesurer modulée sur 12 états s'exprime comme suit dans le premier mode de réalisation.

[0078] [Math 11]

$S ⁼ — Pl — P + P3 + P4 — P5 — ^6 + P7 + 7*8 ^— P9 — PlO + Pli + P12

[0079] On observe, sur la courbe de puissance en fonction du temps, que la modulation à 8 niveaux et 12 états présente, pour chaque état démodulé avec le signe +, un état identique, c'est-à-dire un état avec le même historique, démodulé avec le signe -. Ainsi, l'état 1 correspondant au niveau b est identique à l'état 7 correspondant au niveau c ⁺ ; l'état 2 correspondant au niveau b ⁺ est identique à l'état 8 correspondant au niveau c ; l'état B correspondant au niveau a ⁺ est identique à l'état 9 correspondant au niveau d ; l'état 4 correspondant au niveau a est identique à l'état 10 correspondant au niveau d ⁺ ; l'état 5 correspondant au niveau b est identique à l'état 11 correspondant au niveau c ⁺ ; l'état 6 correspondant au niveau b ⁺ est identique à l'état 12 correspondant au niveau c . Autrement dit, à chaque état de la première demi-période T/2, démodulé pour en extraire la grandeur à mesurer, en + ou en -, correspond un état de même historique, démodulé avec le signe inverse, dans la deuxième demi-période. On observe que la différence de phase modulée AO _m (t) suivant la modulation 8 niveaux et 12 états du premier mode de réalisation vérifie l'équation suivante à tout instant t d'une période de modulation T, ici compris entre 0 et 2Dt.

[0080] [Math 12]

[0081] Il en résulte que la démodulation d'un signal modulé suivant 8 niveaux et 12 états telle que décrite ci-dessus, pour extraire le signal de la grandeur à mesurer, par exemple le signal Sagnac, ne présente pas de défaut induit par la constante de temps RC, contrairement à une démodulation d'un signal modulé suivant une modulation conventionnelle à 8 niveaux et 8 états. [0082] Dans le premier mode de réalisation, la démodulation de la fonction de transfert du modulateur de phase, notée n _p, est effectuée en multipliant les mesures de puissance P, pour i = 1, ..., 12 acquises sur une période de modulation T, par le signe du produit du signe + ou - de la modulation à ±p et du signe + ou - de la modulation à ± alpha, indépendamment du signe de la modulation à ± beta, ou par zéro de manière à ne conserver qu'autant d'états multipliés par + que d'états multipliés par La démodulation de la fonction de transfert du modulateur de phase, notée n _p, s'exprime comme suit dans le premier mode de réalisation.

[0083] [Math 13]

$n _p ⁼ +^3 + ? — P5 — ?6 + P9 + P _lO ^— Pli — P 12

[0084] Dans le premier mode de réalisation, la démodulation de la fonction de transfert du système de détection, ou réponse en boucle ouverte, notée DR, est effectuée à la fréquence 6f _p en multipliant les 12 mesures de puissance P, pour i = 1, ..., 12 acquises sur une période de modulation T, par le signe du produit du signe + ou - de la modulation ± alpha et du signe + ou - de la modulation ± beta, indépendamment du signe de la modulation ± p. Dans l'exemple illustré sur la figure 7, pour extraire DR on échantillonne à 12f _p . Les niveaux hauts en a ⁺ et c ⁺ correspondant à une modulation (+alpha+beta) et les niveaux hauts en b et d correspondant à une modulation (-alpha- beta) sont démodulés en multipliant par +1, tandis que les niveaux bas en a et c correspondant à une modulation (+alpha-beta) et les niveaux bas en b ⁺ et d ⁺ correspondant à une modulation (-alpha+beta) sont démodulés en multipliant par -1. Plus précisément, la démodulation de la fonction de transfert du système de détection, donc la différence de puissance DR entre états hauts et états bas, modulée sur 12 états s'exprime comme suit dans le premier mode de réalisation.

[0085] [Math 14]

[0086] Le premier mode de réalisation basé sur une modulation de ± p à f _p , ± alpha à 3f _p et ± beta à 3f _p induisant 8 niveaux de modulation et 12 états par période T permet d'extraire par une démodulation adaptée le signal de la grandeur à mesurer, le signal n _p et le signal de réponse en boucle ouverte DR, le signal de la grandeur à mesurer étant corrigé de défauts induits par la constante de temps RC du circuit de commande du modulateur de phase. Ce schéma de modulation et démodulation permet d'améliorer les performances d'un système interférométrique sans modifier sa structure et permet une mise à niveau de systèmes interférométriques existants.

[0087] Nous décrivons maintenant un deuxième mode de réalisation en lien avec la figure 8. De manière analogue au premier mode de réalisation, le deuxième mode de réalisation est basé sur une modulation à au moins 8 niveaux de modulation et 12 états par période de modulation T égale à 2 Dt.

[0088] La modulation est aussi appliquée suivant 8 niveaux par période de modulation T.

Le signal de commande C _m (t) est ici aussi constituée de la somme de trois modulations carrées. Dans ce deuxième mode de réalisation, la première modulation carrée induit une première différence de phase DF _p (ΐ) de niveau égal à ± p. La première différence de phase est périodique et a une fréquence de modulation égale à un multiple impair (2N+1) de la fréquence propre f _p , où N est un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1. La deuxième tension de modulation carrée est adaptée pour induire une deuxième différence de phase AO _aiPha (t) de niveau égal à ± alpha. La deuxième différence de phase AO _{ai ha} (t) est périodique et a une fréquence de modulation égale au même multiple impair (2N+1) de la fréquence propre f _p , où N est un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1. La deuxième différence de phase AO _aiPha (t) est en quadrature par rapport à la première différence de phase DF _p (ΐ). La troisième tension de modulation carrée est adaptée pour induire une troisième différence de phase DF _beta (t) de niveau égal à ± beta. La troisième différence de phase DF _beta (t) est périodique et a une fréquence de modulation égale à f _p synchronisée avec la première différence de phase DF _tc (ΐ).

[0089] Dans l'exemple illustré sur la figure 8, la première différence de phase DF _p (ΐ) et la deuxième différence de phase DF ₃ I _R H ₃ (Ϊ) sont à la fréquence 3f _p et on choisit les valeurs suivantes pour alpha et beta : alpha = 3p/8 et beta = 3p/128, et RC = Dt/20.

[0090] Sur la courbe DF _GP (Ϊ) de la figure 8, on a représenté en traits pointillés la modulation suivant 4 états résultant de la somme de la première différence de phase périodique DF _p (ΐ) modulée à 3f _p et de la deuxième différence de phase DF ₃ i^ ₃ (ΐ) modulée à Bf _p en quadrature par rapport à DF _p (ΐ). On a représenté en traits tiretés la troisième différence de phase AO _b e _t a(t) modulée sur 2 niveaux à la fréquence f _p . Enfin, on a représenté en trait continu la différence de phase modulée AO _m (t) ou modulation totale résultant de la somme de la modulation en pointillés et de la modulation en traits tiretés. La différence de phase modulée AO _m (t) présente aussi 8 niveaux. On observe l'effet de la constante de temps RC sur la courbe de la différence de phase modulée AO _m (t). Chaque niveau de différence de phase modulée suit une courbe exponentielle en (1 - exp(-t/RC)) qui part du niveau précédent.

[0091] Comme dans le premier mode de réalisation, la différence de phase modulée AOm(t) comporte 8 niveaux et cette différence de phase modulée AO _m (t) sur 8 niveaux génère 12 états de modulation sur la courbe de puissance de sortie en fonction du temps, dans l'ordre suivant : b ⁺ a ⁺ c d b a c d b ⁺ a ⁺ c ⁺ d ⁺ correspondant aux différences de phase DF ₃₊ à DF _ά- indiquées plus haut.

[0092] Le détecteur acquiert 12 mesures de puissance P, par période de modulation T correspondant aux douze états i = 1,..., 12. Sur la courbe de puissance en fonction du temps, on observe ici aussi clairement l'effet de la constante de temps RC du modulateur de phase sur les mesures de puissance détectées.

[009B] Dans le deuxième mode de réalisation, la démodulation du signal de la grandeur à mesurer, par exemple le signal Sagnac, est analogue à celle du premier mode de réalisation dans la mesure où on multiplie la mesure de puissance P, pour i= 1, 2, ..., 12 sur une période de modulation par -1 pour les niveaux correspondant à - alpha et par +1 pour les niveaux correspondant à + alpha, indépendamment du signe des modulations à ±p et ± beta. Ce schéma de démodulation se traduit par l'expression suivante dans le deuxième mode de réalisation.

[0094] [Math 15]

$S ⁼ — Pl + P + P3— P4— P5 + ^6 + P7— Pe — P9 + PlO + Pli— P12

[0095] Ainsi, à chaque état de la première demi-période T/2, démodulé en plus ou en moins, correspond un état de même historique sur la deuxième demi-période, démodulé en sens inverse, soit en moins ou en plus : les paires 1-7, 2-8, 3-9, 4-10, 5-11 et 6-12 permettent de supprimer les effets induits par le RC du modulateur de phase. En effet, dans le deuxième mode de réalisation, on observe sur la figure 8 que la différence de phase modulée AO _m (t) suivant la modulation 8 niveaux et 12 états vérifie l'équation Math 12 à tout instant t de la période de modulation, ici compris entre 0 et 2Dt.

[0096] De même, la démodulation de la fonction de transfert du modulateur de phase, notée démodulation du n _p , est effectuée en multipliant les 12 mesures de puissance P, pour i = 1, ..., 12 acquises sur une période de modulation T, par le signe du produit du signe + ou - de la modulation à ±p et du signe + ou - de la modulation à ± alpha, indépendamment du signe de la modulation à ± beta.

[0097] Ainsi, la démodulation de la fonction de transfert du modulateur de phase, notée démodulation du n _p , sur 12 états s'exprime dans le deuxième mode de réalisation par l'expression suivante.

[0098] [Math 16]

[0099] Enfin, la démodulation de la fonction de transfert du système de détection, notée démodulation du DR, est effectuée en multipliant les 12 mesures de puissance P, pour i = 1, ..., 12 acquises sur une période de modulation T, par le signe du produit du signe + ou - de la modulation à ± alpha et du signe + ou - de la modulation à ± beta, indépendamment du signe de la modulation à ± p.

[0100] Ainsi, la démodulation de la fonction de transfert du système de détection, notée DR, sur 12 états s'exprime comme suit dans le deuxième mode de réalisation.

[0101] [Math 17]

¾P ^{= —} Pl + P2 — P3 + P4 + P5 — Pè — P7 + 7*8 ^— P9 + PlO + Pli — Pl2

[0102] Dans le deuxième mode de réalisation, le signal de la grandeur à mesurer est également corrigé des défauts induits par la constante de temps RC du modulateur de phase.

[0103] Nous décrivons maintenant un troisième mode de réalisation en lien avec la figure 9. Le troisième mode de réalisation est basé sur une modulation à 12 états et 8 niveaux de modulation par période de modulation T. [0104] Le signal de commande C _m (t) est aussi constituée de la somme de trois modulations carrées. Dans le troisième mode de réalisation, la première modulation carrée induit une première différence de phase DF _p (ΐ) de niveau égal à ± p. La première différence de phase est périodique et a une fréquence de modulation égale à la fréquence propre f _p . La deuxième modulation carrée est adaptée pour induire une deuxième différence de phase AO _ai ha(t) de niveau égal à ± alpha. La deuxième différence de phase AO _aiP ha(t) est périodique et de fréquence de modulation égale la fréquence propre f _p , en quadrature par rapport à la première différence de phase DF _p (ΐ). Autrement dit, la somme de la première différence de phase et de la deuxième différence de phase DF _ΐ ^ίΐ) produit une modulation 4-états (en pointillés sur la courbe de différence de phase modulée en fonction du temps de la figure 9). La troisième modulation carrée est adaptée pour induire un déphasage F _beta (t) de niveau égal à ± beta/2. Cette modulation F _beta (t) est périodique et a une fréquence de modulation égale à une sous- harmonique impaire de la fréquence propre : f _p /(2N+l), où N est un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1. La période de modulation est alors égale à 2.(2N+1).Dt. La troisième modulation F _beta (t) est synchronisée avec la première différence de phase DF _p (ΐ) ou la deuxième différence de phase DF^,i^ίΐ). La troisième modulation F _beta (t) du déphasage induit une différence de phase DF _beta (t) = F _beta (t) - F _beta (t- Dt) sur 6 niveaux qui commutent tous les Dt selon la séquence suivante : +beta, 0, 0, -beta, 0, 0 (représentée en traits tiretés sur la courbe de différence de phase modulée en fonction du temps de la figure 9).

[0105] Dans l'exemple illustré sur la figure 9, la fréquence de modulation du déphasage F _beta (t) est égale à f _p /3 et la période de modulation T est égale à 6Dt. Dans l'exemple illustré sur la figure 9, on choisit les valeurs suivantes pour alpha et beta : alpha = 3p/8 et beta = 5p/128. La valeur de RC est exagérée par rapport à la réalité pour rendre la figure 9 plus lisible et vaut ici Dt/10.

[0106] La différence de phase modulée DF _GP (Ϊ) OU modulation totale résultant de la somme de la modulation en pointillés et de la modulation en traits tiretés a une période de modulation T égale à (2N+1).2Dt. Dans l'exemple de la figure 9, la différence de phase modulée DF _GP (Ϊ) induit 8 niveaux par période de modulation T. Ces 8 niveaux de modulation produisent sur la courbe de mesure de puissance une séquence de 12 états, qui commutent tous les Dt/2 selon l'ordre d'apparition suivant sur une période de modulation T : b ⁺ a ⁺ c d b a c d b a c d.

[0107] Sur la figure 9, a+ correspond au niveau de modulation DF ₃₊ = p + alpha + beta ; a correspond au niveau de modulation DF ₃ = p + alpha ; b ⁺ correspond au niveau de modulation DF _b+ = p - alpha + beta ; b correspond au niveau de modulation DF _b = p - alpha ; c correspond au niveau de modulation DF ₀ = -p + alpha ; c correspond au niveau de modulation DF _<> = -p + alpha - beta ; d correspond au niveau de modulation DF _ά = -p - alpha ; d correspond au niveau de modulation DF _ά- = -p - alpha - beta.

[0108] Sur la courbe de puissance de sortie P fonction de la différence de phase DF de la figure 9, les niveaux de différence de phase modulée DF _GP (Ϊ) génèrent 12 états de modulation par période de modulation. Sur la figure 9, on observe que la différence de phase modulée DF _GP (Ϊ) suivant la modulation 8 niveaux et 12 états du troisième mode de réalisation vérifie l'équation Math 12 à tout instant t de la période T de modulation, période ici égale à 6Dt.

[0109] Comme dans le premier et le deuxième mode de réalisation, lors de la démodulation du signal de la grandeur à mesurer, par exemple le signal Sagnac, à chaque état de la première demi-période T/2, démodulé pour en extraire la grandeur à mesurer, en + ou en -, correspond un état de même historique, démodulé avec le signe inverse, dans la deuxième demi-période. Ce schéma de démodulation se traduit par l'expression suivante dans le troisième mode de réalisation.

[0110] [Math 18]

$s ⁼ — Pi + P + P3— P4— P5 + Pe + P7— Rb — P9 + iio + Pu— P12

[0111] La démodulation de la fonction de transfert du modulateur de phase, notée n _p , est effectuée en multipliant les 12 mesures de puissance P, pour i = 1, ..., 12 acquises sur une période de modulation T, par le signe du produit du signe + ou - de la modulation à ±p et du signe + ou - de la modulation à ± alpha, indépendamment du signe de la modulation à ± beta.

[0112] Ainsi, la démodulation de la fonction de transfert du modulateur de phase n _p modulée sur 12 états s'exprime pour ce troisième mode de réalisation suivant la même équation (Math 16) que pour le deuxième mode de réalisation. [0113] Enfin, la démodulation de la fonction de transfert du système de détection, notée DR, est effectuée en multipliant les 12 mesures de puissance P, pour i = 1, ..., 12 acquises sur la période de modulation T = 6Dt, par le signe du produit du signe + ou - de la modulation à ± alpha et du signe + ou - de la modulation à ± beta lorsque beta est non nul et par 0 lorsque beta est nul, indépendamment du signe de la modulation à ± p. En particulier, beta est nul pour les états a, b, c et d.

[0114] Ainsi, la démodulation de la fonction de transfert du système de détection DR sur 12 états s'exprime comme suit dans le troisième mode de réalisation.

[0115] [Math 19]

¾P ^{= —} Pl + P — P7 + ^8

[0116] Dans le troisième mode de réalisation aussi, le signal de la grandeur à mesurer est corrigé des défauts induits par la constante de temps RC du modulateur de phase.

[0117] La figure 10 illustre un exemple du troisième mode de réalisation en présence d'un signal de la grandeur à mesurer. Dans l'exemple illustré sur la figure 10, on choisit les valeurs suivantes pour alpha et beta : alpha = Bp/8 et beta = Bp/128. RC est égal à Dt/12. La différence de phase induite par la grandeur à mesurer est ici égale à DF _£ =3p/32. La mesure de A< s est corrigée des défauts induits par la constante de temps RC du modulateur de phase. Par conséquent, la mesure présente une meilleure stabilité.

[0118] De façon avantageuse, la modulation sur 8 niveaux et 12 états selon l'un quelconque des modes de réalisation décrits ci-dessus est utilisée pour asservir le signal du paramètre à mesurer (par exemple le signal Sagnac), le réglage du signal V _n et/ou la réponse en boucle ouverte (ou signal DR).

[0119] En résumé, le tableau ci-dessous indique les règles de démodulation pour les trois modes de réalisation décrits ci-dessus.

[Tableaux 1]

[0120] L'invention s'applique à un interféromètre à fibre optique de Sagnac en boucle pour mesurer une vitesse de rotation autour de l'axe de la bobine de fibre optique, par exemple tel qu'illustré sur la figure 1. Dans G interféra mètre à fibre optique de Sagnac en boucle, la première onde monomode 101 et la seconde onde monomode 102 sont polarisées linéairement et la bobine de fibre optique 17 est à maintien de polarisation linéaire. Le système de traitement du signal 900 applique une tension de modulation 60 sur les électrodes du modulateur optique de phase 16 de manière à générer une modulation de la différence de phase à au moins 8 états et 12 niveaux selon l'un quelconque des modes de réalisation décrit ci-dessus. Le système de traitement du signal 900 applique au signal détecté 80 une démodulation adaptée en fonction de la modulation choisie.

[0121] L'invention s'applique également à un interféromètre à fibre optique en boucle ou en ligne pour des applications comme capteur de champ magnétique ou comme capteur de courant électrique. [0122] A titre d'exemple non limitatif, la figure 11 représente un interféromètre à fibre optique en boucle destiné à une application comme capteur de courant électrique. Les mêmes signes de référence désignent les mêmes éléments que sur la figure 1. Dans cette application, un ensemble de fibres optiques comporte une section de fibre optique 71, une bobine de fibre optique 73 et une autre section de fibre optique 72 disposées en série. La fibre optique 73 est enroulée autour d'un axe. La fibre optique 73 est de préférence à maintien de polarisation circulaire. La section de fibre optique 71 est de préférence à maintien de polarisation linéaire. L'autre section de fibre optique 72 est aussi de préférence à maintien de polarisation linéaire. Un conducteur électrique 120 est disposé le long de l'axe de la bobine de fibre optique 73. On note I un courant électrique traversant la bobine de fibre optique 73. Le circuit optique intégré 14 est analogue à celui décrit en lien avec la figure 1. En sortie du circuit optique intégré 14, la première onde monomode 101 et la seconde onde monomode 102 sont polarisées linéairement suivant le même état de polarisation. La première onde monomode 101 se propage dans la section de fibre optique 71. La seconde onde monomode 102 se propage dans l'autre section de fibre optique 72. Une lame quart d'onde 32 reçoit la première onde monomode 101 polarisée linéairement et transmet une première onde monomode 111 polarisée circulairement, par exemple circulaire droite, à une extrémité de la bobine de fibre optique 73. Une autre lame quart d'onde 33 reçoit la seconde onde monomode 102 polarisée linéairement et transmet une seconde onde monomode 112 polarisée circulairement, ici par exemple aussi circulaire droite, à l'autre extrémité de la bobine de fibre optique 73. La première onde monomode 111 circulaire droite et la seconde onde monomode 112 circulaire droite se propagent en sens inverse dans la bobine de fibre optique 73. En sortie de la bobine de fibre optique 73, les lames quart d'onde 32, 33 transforment les ondes polarisées circulairement en ondes polarisées linéairement qui se recombinent pour former le faisceau interférométrique 300. Le système de traitement du signal 900 applique l'un quelconque des schémas de modulation-démodulation à au moins 8 états et 12 niveaux pour extraire une mesure de courant électrique corrigée de la constante de temps RC du modulateur de phase. La différence de temps de propagation Dt à considérer pour la modulation de phase ACDm(t) est alors le temps de propagation dans la fibre optique 73 et dans les sections de fibre 71 et 72.

[0123] A titre d'autre exemple non limitatif, la figure 12 représente un interféromètre à fibre optique en ligne destiné à une application comme capteur de courant électrique. Dans cet exemple, un polariseur 24 polarise linéairement le faisceau source 100. Le circuit optique intégré 34 comporte uniquement un guide d'onde formé par exemple par diffusion de titane dans un substrat de niobate de lithium. Les électrodes du modulateur de phase 16 sont déposées le long des côtés du guide d'onde. Le guide d'onde du circuit optique intégré 34 est biréfringent. Les axes optiques du polariseur 24 sont orientés de préférence à 45 degrés des axes de biréfringence du guide d'onde du circuit optique intégré 34 à l'entrée-sortie 25 du circuit optique intégré 34. De cette manière, le polariseur 24 et le circuit optique intégré 34 séparent le faisceau source 100 en polarisation et génèrent la première onde monomode 101 polarisée suivant un état de polarisation linéaire et la seconde onde monomode 102 polarisée suivant l'état de polarisation linéaire orthogonal. Le guide d'onde du circuit optique intégré 34 guide les deux polarisations. Le modulateur de phase 16 ayant une efficacité différente selon la polarisation, il génère bien un différentiel de modulation du déphasage des deux ondes, et va permettre les mêmes modulations de phase que dans la configuration en boucle. Pour ce modulateur différentiel, on parle souvent de modulateur de biréfringence. Dans ce mode de réalisation, l'ensemble de fibres optiques comporte une section de fibre optique 74 et une bobine de fibre optique 73 disposées en série. La fibre optique 73 est enroulée autour d'un axe. La fibre optique 73 est de préférence à conservation de polarisation circulaire. La section de fibre optique 74 est de préférence à maintien de polarisation linéaire. La première onde monomode 101 et la seconde onde monomode 102 se propagent dans la section de fibre optique 74. Une lame quart d'onde 42 reçoit la première onde monomode 101 polarisée linéairement et transmet une première onde monomode polarisée circulairement 111, par exemple circulaire droite, à une extrémité de la bobine de fibre optique 73. La lame quart d'onde 42 reçoit la seconde onde monomode 102 polarisée suivant un autre état de polarisation linéaire orthogonal et transmet une seconde onde monomode polarisée circulairement 112, ici circulaire gauche, à la même extrémité de la bobine de fibre optique 73. Un miroir 26 est disposé à l'autre extrémité de la bobine de fibre optique 73. Après un premier passage dans la bobine de fibre optique 73, les deux ondes monomodes de polarisation circulaires orthogonales 111, 112 se réfléchissent sur le miroir 26. A la réflexion sur le miroir, leurs états de polarisation sont inversés. Les deux ondes monomodes effectuent un deuxième passage en sens inverse, et avec leurs polarisations inversées, dans la bobine de fibre optique 73. La lame quart d'onde 42 reçoit les deux ondes monomodes de polarisations circulaires orthogonales et les transforme en deux ondes de polarisations linéaires orthogonales. Le circuit optique intégré 34 et le polariseur 24 recombinent ces deux ondes et forment le faisceau interférométrique 300. Le système de traitement du signal 900 applique l'un quelconque des schémas de modulation- démodulation à au moins 8 états et 12 niveaux pour extraire une mesure de courant électrique corrigée de la constante de temps RC du modulateur de phase. Dans ce cas, la différence de temps de propagation Dt à considérer pour la modulation de phase AOm(t) est le temps de propagation aller-retour dans la section de fibre optique 74 et la bobine de fibre optique 73.

[0124] La figure 13 représente un autre exemple d'interféromètre à fibre optique en ligne destiné à une application comme capteur de courant électrique. Dans cet exemple, le circuit optique intégré 14 comprend un guide d'onde 24 polarisant et un séparateur 15, de type à jonction Y, analogue à celui décrit en lien avec les figures 1 et 11. L'ensemble de fibres optiques comporte ici une section de fibre optique 71, une autre section de fibre optique 72, une section de fibre optique 74 et une bobine de fibre optique 73. La fibre optique 73 est enroulée autour d'un axe. La fibre optique 73 est de préférence à maintien de polarisation circulaire. Les sections de fibre optique 71, 72 et 74 sont de préférence à maintien de polarisation linéaire. Le guide d'onde 24 polarise linéairement le faisceau source 100. Le séparateur 15 sépare le faisceau source 100 polarisé linéairement en la première onde monomode 101 polarisée linéairement et la seconde onde monomode 102 polarisée linéairement suivant le même état de polarisation linéaire. La première onde monomode 101 se propage dans la section de fibre optique

71. La seconde onde monomode 102 se propage dans l'autre section de fibre optique

72. L'autre section de fibre optique 72 est orientée de manière à faire tourner de 90 degrés la polarisation linéaire de la seconde onde monomode 102, qui devient ainsi une seconde onde monomode 122 polarisée linéairement avec une polarisation orthogonale à la première onde monomode 101. Un coupleur-séparateur de polarisation 27 recombine la première onde monomode 101 et la seconde onde monomode 122, de polarisations linéaires orthogonales qui se propagent dans la section de fibre optique 74. Une lame quart d'onde 42 transforme les polarisations linéaires orthogonales en polarisations circulaires orthogonales 111, 112. De manière analogue au mode de réalisation décrit en lien avec la figure 12, le miroir 26 réfléchit les deux ondes monomodes 111, 112 et inverse leurs polarisations. De cette manière, les deux ondes monomodes parcourent l'ensemble de fibre optique suivant des états de polarisation inversés. Le système de traitement du signal 900 applique l'un quelconque des schémas de modulation-démodulation à au moins 8 états et 12 niveaux pour extraire une mesure de courant électrique corrigée de la constante de temps RC du modulateur de phase. La différence de temps de propagation Dt à considérer dans ce cas pour la modulation de phase AO _m (t) est le temps de propagation dans les sections de fibre 71 et 72 et le temps de propagation aller-retour dans la section de fibre 74 et la fibre optique 73.

[0125] Bien entendu, diverses autres modifications peuvent être apportées à l'invention dans le cadre des revendications annexées.