Développement de cavités fibrées et contrôle de la modulation d'amplitude résiduelle (RAM) : application au gyromètre optique résonant

Development of fiber cavities and control of residual amplitude modulation (RAM) : application to resonant fiber optic gyroscope

• Auteur / Autrice : Maxime Descampeaux
• Direction : Fabien Bretenaker, Frédéric Seguineau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Lumière, matière et interfaces (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2020-...)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Thales Research and Technology (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Segonds
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Du Burck, Géraud Bouwmans, Marc Vallet, Benoît Debord, Gilles Feugnet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Du Burck, Géraud Bouwmans

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonateurs optiques

Modulation d'amplitude

Gyroscopes optiques

Mots clés libres

Gyromètre

Effet Sagnac

Cavité fibrée

Modulation d'amplitude résiduelle (RAM)

Modulation-Démodulation

Fibre à cœur creux

Gyroscope

Sagnac Effect

Fibered ring cavity

Residual amplitude modulation (RAM)

Modulation-Demodulation

Hollow-Core fiber

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur un gyromètre optique basé sur une cavité résonante passive en fibre optique. Ce gyromètre optique utilise l'effet Sagnac pour mesurer des vitesses de rotation en comparant les fréquences de résonance de deux faisceaux contra-propagatifs dans la cavité. On présente dans le manuscrit le développement et la conception de plusieurs prototypes de cavités contenant une fibre classique PM-SMF ou une fibre à cœur creux de type Photonic Bandgap en cristaux photoniques enroulées sur un diamètre de 8 cm. La caractérisation des prototypes ont permis d'identifier des problèmes de contamination et de dépendance en longueur d'onde de la transmission de la fibre à cœur creux. Afin d'améliorer les performances du gyromètre, on a contribué à la réduction de bruits parasites tels que la modulation d'amplitude résiduelle (residual amplitude modulation, RAM) qui perturbent notre asservissement essentiel à la mesure de vitesse de rotation. Nous avons ainsi développé une nouvelle méthode d'asservissement qui permet de s'affranchir de la RAM dans le cas de certains montages avec des composants fibrés. Le développement d'un modèle théorique et numérique du système a permis de comprendre le couplage des asservissements et d'adapter ces derniers pour nos applications. Enfin, à partir de l'analyse des différents bruits et d'essais en rotation, on en déduit les limitations actuelles de la détection.

This thesis work concerns an optical gyroscope based on a passive resonant cavity made of an optical fiber. This type of gyroscope uses the Sagnac effect to measure the angular velocity by comparing the resonant frequencies of two counter-propagating beams in the cavity. We expose the development and the design of the several prototypes of cavities made of a conventional PM-SMF or a Photonic Bandgap hollow-core fiber coiled on a diameter of 8cm. The characterization of the prototypes allowed us to identify problems of contamination and wavelength dependence of the hollow core fiber transmission. In order to improve the performance of the gyroscope, we contributed to the reduction of spurious noise such as residual amplitude modulation (RAM) which disturb our frequency locking used for rotation sensing. We have thus developed a new method of control which allows to get rid of RAM in the case of some setup with fibered components. The development of a theoretical and numerical model of the system helped us to understand the coupling of the frequency locking and to adapt them to our applications. Finally, we conclude about the current limitations of the detection from the analysis of the various noises and the rotation sensitivity.