3.1 Source de lumière

La source de lumière est le point de départ du signal optique dans le gyroscope à fibre optique. Sa fonction principale est de produire une lumière stable et de l'envoyer dans le système. On utilise souvent une lumière à faible cohérence, comme une SLD ou une source de lumière ASE.

Figure 3.3 Source de lumière FOG

La lumière émise par la source entre d'abord dans le coupleur, qui divise uniformément la lumière en deux faisceaux et les guide séparément dans les trajets optiques suivants (fibres optiques). Grâce au coupleur, la lumière initialement à trajet unique est répartie pour se propager dans les deux sens, horaire et anti-horaire, jetant les bases de l'utilisation ultérieure de l'effet Sagnac.

3.2 Coupleur

Un coupleur à fibre optique est un composant à fibre optique conçu pour redistribuer les signaux optiques. Il englobe divers dispositifs à fibre optique tels que les séparateurs optiques, les combinateurs optiques et les coupleurs optiques. Ce composant peut soit distribuer les signaux d'une seule fibre vers plusieurs fibres, soit combiner les signaux de plusieurs fibres en une seule fibre.

(1) X-Type coupleur

Figure 3.4 Coupleur à fibre optique

Le coupleur en X intègre les fonctions d'un séparateur et d'un combineur dans un seul boîtier. Il combine et distribue la puissance optique de deux fibres d'entrée, puis la transmet séparément à deux fibres de sortie. Également connu sous le nom de coupleur 2×2.

Figure 3.5 Coupleur de type X (2x2)

(2) Guide d'ondes en Y

Un guide d'ondes en Y est un type de coupleur en forme de Y, caractérisé par une configuration en Y distinctive.

La lumière provenant de la source est incidente sur le guide d'ondes en Y et divisée en deux faisceaux par le guide d'ondes en Y. Ces faisceaux se propagent dans la bobine de fibre dans les sens horaire et anti-horaire, respectivement. Après avoir effectué un cycle complet dans la bobine de fibre, les faisceaux sont recombinés en un seul faisceau par le guide d'ondes en Y et atteignent finalement le photodétecteur.

En plus des fonctions de division et de combinaison de la lumière, le guide d'ondes en Y peut également réaliser les fonctions de polarisation et de dépolarisation, de modulation de phase, etc.

Figure 3.6 Dispositif optique intégré multifonctionnel d'oxyde de lithium-bismuth (guide d'ondes en Y)

3.3 Anneau de fibre optique

Après être entrée dans le coupleur 2×2, la lumière traverse un guide d'ondes en Y et entre dans la boucle de fibre optique. Cette boucle, formée en enroulant une fibre étendue, permet à la lumière de se propager le long d'un trajet fermé. Lorsque la lumière se propage simultanément dans le sens horaire et anti-horaire dans la boucle, la rotation de la fibre crée une légère différence de temps entre les deux faisceaux, ce qui entraîne une différence de phase. Ce phénomène, connu sous le nom d'effet Sagnac, constitue le mécanisme de base par lequel les gyroscopes à fibre détectent les informations de rotation.

Pour détecter les rotations minimes, les fibres optiques nécessitent des longueurs de centaines, voire de milliers de mètres. Bien que de tels trajets optiques étendus soient impraticables, l'effet Sagnac révèle que la sensibilité est directement proportionnelle à la surface délimitée par le trajet optique. En enroulant la fibre flexible plusieurs fois, nous pouvons maintenir la même surface effective tout en réduisant considérablement ses dimensions physiques.

Figure 3.7 Anneau de fibre optique

Dans les gyroscopes à fibre optique, les fibres optiques sont généralement enroulées en dizaines, en centaines, voire en plus de tours. En effet, la différence de phase générée par l'effet Sagnac dépend de la surface effective délimitée par le trajet optique, plutôt que uniquement de la taille d'un seul tour. En augmentant le nombre de tours d'enroulement, la distance de propagation de la lumière peut être considérablement étendue dans un volume limité, amplifiant ainsi les différences de temps et de phase causées par la rotation.

Le principe peut être simplement compris comme suit : plus la lumière voyage longtemps à travers la boucle de fibre, plus l'effet de la rotation devient prononcé. Cela explique pourquoi les gyroscopes à fibre de haute précision comportent généralement des boucles de fibre plus longues, tandis que les dispositifs de faible précision ou éducatifs utilisent des longueurs de fibre relativement plus courtes. La qualité d'enroulement de la boucle de fibre a un impact direct sur la précision de mesure du gyroscope à fibre, ce qui nécessite un équipement d'enroulement de haute précision spécialisé. Les gyroscopes à fibre ne reposent pas seulement sur des principes physiques sophistiqués, mais exigent également des processus de fabrication extrêmement rigoureux.

FIG. 3.8 Système de boucle de fibre optique

3.4 Détecteur photoélectrique

Dans les gyroscopes à fibre optique, le photodétecteur est positionné à l'extrémité du système optique. Sa fonction principale est de recevoir les signaux lumineux réfléchis par la boucle de fibre et de les convertir en signaux électriques. En tant que dispositif basé sur l'effet photoélectrique, le photodétecteur transforme les signaux optiques en signaux électriques. Fonctionnant comme l'œil humain, il permet la détection de signaux faibles, visibles et invisibles.

L'interférence optique se produit lorsque deux faisceaux lumineux se propageant dans le sens horaire et anti-horaire convergent à nouveau au sein d'un système. La rotation crée une différence de phase entre les faisceaux, ce qui provoque une fluctuation de l'intensité de la lumière d'interférence. Les détecteurs photoélectriques utilisent ce phénomène pour convertir de minuscules variations d'intensité en signaux électriques. Étant donné que les signaux d'interférence sont généralement extrêmement faibles, ces détecteurs doivent avoir une sensibilité élevée pour garantir que les circuits ultérieurs peuvent capturer avec précision les informations liées à la rotation.

Figure 3.9 Détecteur photoélectrique

3.5 Circuit de traitement du signal

Le signal électrique émis par le photodétecteur est extrêmement faible et ne peut pas être utilisé directement. Par conséquent, une série d'étapes de traitement du signal sont nécessaires pour obtenir la mesure finale de la vitesse angulaire de rotation. L'ensemble du processus peut être simplement divisé en les étapes suivantes :

Ø Pré-amplification : Augmente les signaux électriques extrêmement faibles à un niveau approprié pour un traitement stable par les circuits suivants.

Ø Conversion et démodulation du signal : Le signal électrique amplifié est converti en un signal traitable par un ordinateur ou un circuit numérique, et les informations relatives à la différence de phase optique en sont extraites.

Ø Contrôle et sortie : Le contrôleur calcule la valeur correspondant à la vitesse angulaire de rotation en fonction des résultats de la démodulation et fournit le résultat au système externe via l'interface de sortie.

Figure 3.10 : Circuit de traitement du signal FOG (carte de circuit imprimé supérieure dans le diagramme)

IV. Résumé

La caractéristique déterminante des gyroscopes à fibre optique est leur utilisation de la lumière plutôt que de structures mécaniques pour mesurer la rotation, ce qui leur confère des avantages distincts en termes de performances critiques :

Ø Haute précision : Le système mesure la rotation en utilisant des principes optiques, éliminant ainsi la dépendance aux vibrations mécaniques pour une précision accrue.

Ø Performances stables : L'absence de composants mécaniques à grande vitesse à l'intérieur garantit une dérive minimale pendant un fonctionnement prolongé.

Ø Excellente résistance aux vibrations et aux chocs : Maintient des performances de mesure fiables même dans des environnements vibrants tels que les avions et les navires.

Ø Haute fiabilité et longue durée de vie : Les fibres et les composants optiques présentent une usure minimale, ce qui les rend idéaux pour un fonctionnement continu à long terme.

Malgré leurs performances supérieures, les gyroscopes à fibre optique ne sont pas universellement applicables.

Ø La taille et le poids importants : La nécessité d'enrouler de longues fibres optiques rend la miniaturisation difficile.

Ø Coûts élevés : Les dépenses augmentent en raison des matériaux des fibres, des composants optiques et des processus de fabrication de précision.

Ø Consommation d'énergie élevée : Non idéal pour les micro-dispositifs alimentés par batterie.

Les gyroscopes à fibre optique ne sont pas destinés à remplacer tous les gyroscopes, mais plutôt à jouer un rôle essentiel dans les domaines exigeant une grande précision, une grande fiabilité et une grande adaptabilité environnementale. Contrairement aux gyroscopes MEMS (systèmes micro-électro-mécaniques) conventionnels, ils fonctionnent davantage comme un « coureur de fond professionnel » — privilégiant la stabilité et la précision à la miniaturisation extrême et à la rentabilité, maintenant silencieusement l'orientation dans les applications aérospatiales, en haute mer et dans les équipements haut de gamme.

La prochaine fois que vous monterez à bord d'un avion ou que vous imaginerez une sonde en haute mer naviguant de manière autonome, rappelez-vous qu'un faisceau de lumière pourrait courir à travers une boucle de fibre optique délicate, utilisant sa subtile différence de temps pour nous guider.

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