Bref aperçu de la fibre optique

Bref aperçu de la fibre optique

Une fibre optique standard est formée de deux guides cylindriques et concentriques ayant tous deux le même axe de révolution. Le guide intérieur est le cœur au travers duquel la lumière se propage ; l’enveloppe cylindrique extérieure (figure 1.1), d’indice de réfraction (cf paragraphe 1.2.4.1) plus petit que celui du cœur, garantit, sous certaines conditions, le guidage de la lumière dans ce dernier. Le fait qu’un milieu diélectrique transparent puisse guider la lumière si son indice de réfraction est supérieur à celui de son environnement extérieur, avait déjà été démontré en 1854 par le physicien irlandais John Tyndall, auteur de la première démonstration scientifique du principe de réflexion totale de la lumière. Injectant un rayon lumineux dans un jet d’eau grâce à une lentille, il montra qu’en modifiant la direction du jet d’eau, la trajectoire de la lumière se trouvait changée . La silice (Si02), matériau de base des fibres en verre a, des années durant, constitué un facteur limitant en raison de son insuffisante transparence au rayonnement lumineux du proche infrarouge et de l’infrarouge.Dans les verres à base de silice, l’énergie des phonons d’une part et les impuretés intrinsèques et extrinsèques d’autre part, étaient en effet à l’origine des affaiblissements linéiques importants.

L’élaboration de verre de silice de très haute pureté a permis d’améliorer la transparence de la fibre et ce principalement dans le domaine du proche infrarouge, c’est-à-dire le domaine de fonctionnement des sources lasers à semi-conducteurs. En 1966, Charles Kuen Kao, avait déjà avec son collègue Hockam [2] réalisé la première fibre optique en silice en la proposant comme milieu de propagation. L’atténuation à la longueur d’onde de 850 nm était de l’ordre de 100 dB pour 1 km de fibre. Dans la même année en France, un article fut publié sur la propagation de la lumière cohérente dans les fibres optiques [3]. Kao et Hockam avaient affirmé que si l’atténuation de la fibre pouvait être réduite à 20 dB/km pour des longueurs d’onde dans le visible ou  proche infrarouge, alors les télécommunications optiques pouvaient être développées. En 1970, elle baissait à 20 dB/km et Kapron et al. [4] démontrèrent que l’atténuation était déjà assez faible pour envisager de propager de l’information sur de longues distances. Quelques années plus tard, en 1979, la fibre en silice a été débarrassée de la plupart de ses impuretés (ions OH− et ions métalliques).

L’affaiblissement, mesuré cette fois à 1550 nm, atteignait 0,2 dB/km. Actuellement, on est plutôt à 0,166 dB/km (valeur obtenue au laboratoire par la firme japonaise Sumitomo). Cette valeur est considérée comme la limite intrinsèque de la silice. L’affaiblissement spectral de la fibre en silice, dans la plage des longueurs d’onde couvrant le domaine 850 nm à 1550 nm est alors principalement régi par la diffusion Rayleigh, diffusion due aux fluctuations thermiques induites dans le matériau. La grande transparence des fibres optiques en silice dans le proche infrarouge a conduit, dans les années 1990, à l’utilisation massive de la fibre optique comme milieu de propagation « préféré » dans les transmissions à haut débit terrestres et sous-marines.

Elle a permis aussi de réaliser de nouveaux composants passifs tels des coupleurs, des filtres mais aussi des composants actifs à l’instar des fibres dopées à l’Erbium, qui sont à la base de la réalisation de la plupart des amplificateurs optiques. D’autres composants à base de fibres étaient alors proposés sur le marché, faisant de la fibre un excellent milieu de propagation. La fibre est à la fois un composant passif et actif, intéressant pour le traitement optique de l’information et des signaux mais aussi utile dans la fabrication des coupleurs, amplificateurs et capteurs optiques [5]. C’est son usage en tant que capteur qui nous intéresse dans cette thèse. Les fibres optiques utilisées comme capteurs le sont de deux manières. La première catégorie de fibres est utilisée pour transporter et transformer le signal c’est-à-dire l’information provenant de la zone sensible (zone externe à la fibre). La seconde catégorie, quant à elle, regroupe les fibres qui constituent elles-mêmes le capteur. Dans ce cas, ce sont les propriétés de la fibre qui éventuellement, modifiées, permettent de remonter aux informations à étudier, faisant d’elle un capteur réparti.

Les fibres à cristaux photoniques

Les fibres optiques conventionnelles ont révolutionné les technologies de l’information. Notre quotidien s’en trouve amélioré. Malgré les propriétés déjà extraordinaires des fibres optiques (large bande passante, faible atténuation permettant l’utilisation de moins de répéteurs pour la régénération et la ré-amplification du signal optique, . . . ), certaines faiblesses subsistent. Par exemple, avoir une dispersion nulle sur une large plage de fréquences ou à une longueur d’onde voulue n’est pas réalisable.

Certains effets non linéaires comme la diffusion Brillouin apparaissent et sont difficiles à éliminer. Aussi est-il impossible de fabriquer une fibre optique conventionnelle qui sera monomode à toutes les longueurs d’onde. Tous ces obstacles (et encore bien d’autres) sont en passe d’être dépassés grâce à la technologie émergente des fibres à cristaux photoniques.En électronique, l’existence des bandes de conduction et de valence séparées par les bandes interdites (figure 1.2) où aucun électron ne peut se retrouver, est bien connue.L’analogie en électromagnétisme sera faite par Yablonovitch dont les travaux [6] ont montré qu’il peut aussi exister des bandes interdites ou « fréquences interdites » si la structuration d’un diélectrique est périodique. Comme les électrons, les photons ne peuvent donc pas se propager dans un matériau si leur énergie tombe dans les bandes interdites.

En d’autres termes, dans un matériau diélectrique dont les éléments constituants sont périodiquement arrangés avec une période d’un ordre de grandeur de la longueur d’onde du signal optique [7], il est possible d’empêcher la propagation de la lumière à certaines fréquences (ou l de se propager à certaines fréquences n’est pas due à l’absorption du matériau mais uniquement à la périodicité d’arrangement de la structure de ce dernier. En se comportant comme un filtre à interférence, la succession de couches d’indices de réfraction différents laisse passer certaines fréquences en en bloquant d’autres. C’est l’ensemble de ces fréquences auxquelles la propagation est supprimée, qui forment les « bandes interdites ». On parle de bande interdite photonique.

Cette découverte s’observe dans le monde qui nous entoure. En effet, dans la nature la couleur de certaines espèces aquatiques, d’insectes, d’oiseaux et de papillons a une origine purement physique : il s’agit des interférences qui conduisent au filtrage de certaines fréquences aussi bien dans le visible que dans l’infrarouge grâce à la microstructure périodique de leur peau, ou enveloppe (figure 1.4). Les couleurs verte et bleue respectives des papillons Papilio palinurus et Papilio ulysses s’expliquent par la périodicité de l’ordre du micromètre (µm) de la microstructure de leurs ailes [9]. C’est le cas de beaucoup d’autres papillons dont le plus connu est le Morpho rhetenor qui a fait l’objet de plusieurs études [9–13]. Quelques illustrations sont résumées (figure 1.5).

Ces différentes structures photoniques « naturelles » vont fortement influenceret inspirer les chercheurs dans le développement de la photonique et de ses applications technologiques. Le papillon Papilio palinurus de couleur verte et la mise en évidence de la microstructure de son aile avec un agrandissement progressif jusqu’à l’échelle de 1 µm. 2) Le papillon Papilio ulysses de couleur bleue et la mise en évidence de la microstructure de son aile avec un agrandissement progressif jusqu’à l’échelle de 1 µm. Les agrandissements ont été réalisés grâce au microscope électronique à balayage (MEB) d’après la référence [10].

a) La couleur bleue du papillon Morpho rhetenor – b) et c) Les images au microscope électronique à transmission montrant différentes structures dépendant de l’intensité de la couleur – d) Image au microscope électronique à balayage du papillon Papilio palinurus révélant deux couleurs e) bleue et jaune d’après la référence [13]. Ainsi, dès 1991, Philip Russell de l’université de Bath (Royaume Uni) suggéra l’utilisation de la fibre à cristaux photoniques dont la première fabrication ne sera possible qu’en 1996 [14, 15]. La section transverse de ces fibres possède une périodicité 2 D (figure 1.3-b). L’idée de microstructurer la section des fibres avait déjà vu le jour vingt ans auparavant [16] mais sans réalisation possible.

Les fibres microstructurées permettent ainsi de concevoir d’autres manières de propager de la lumière dans un guide. Il est de plus possible de modéliser ces fibres avec une parfaite maîtrise de leurs valeurs de dispersion et de non-linéarités dans la mesure où cela est réalisable. Avant l’avènement des fibres à cristaux photoniques, la propagation de la lumière confinée dans l’air n’était pas possible ni envisageable car l’indice de réfraction de l’air est proche de La théorie des bandes interdites photoniques a permis de démontrer qu’un milieu de plus faible indice de réfraction peut très bien confiner la lumière et la propager [17]. Réaliser une fibre monomode à toutes les longueurs d’onde devint une réalité [18]. Ces fibres encore appelées « fibres à trous », « fibres à bandes interdites photoniques » ou « fibres microstructurées », trouvent des applications dans les télécommunications, le domaine des capteurs fibrés ainsi que de l’optique non linéaire. Les fibres optiques microstructurées peuvent être classées en deux grandes catégories (tableau 1.1) selon le mécanisme de propagation de la lumière dans la fibre. Il s’agit des fibres utilisant le concept de bande interdite photonique (souvent des fibres à cœur creux ou à cœur solide d’indice de réfraction inférieur à celui de la gaine [19, 20]) encore appelées fibres à cœur de bas indice et celles utilisant le principe de réflexion totale interne modifiée encore appelées fibres à cœur de haut indice par analogie aux fibres optiques conventionnelles. Dans la première catégorie, le caractère périodique de la microstructure peut aider à la propagation dans la fibre tandis qu’il n’est guère nécessaire pour la seconde [21].

La propagation par bande interdite photonique

C’est en 1998 [17] que la propagation dans une fibre par bande interdite photonique a été démontrée. Le caractère innovant des fibres microstructurées provient de ce type de propagation puisque le signal optique est confiné dans une fibre à cœur creux dont l’indice de réfraction est inférieur à celui de la gaine, contrairement à la propagation par réflexion totale interne modifiée. En fonction de la longueur d’onde du signal optique, les trous peuvent se comporter comme le milieu de propagation ou s’opposer à la propagation, agissant ainsi comme un filtre, et ce en fonction des dimensions de la microstructure de la fibre. Ces dernières offrent une facilité pour contrôler et ajuster la dispersion chromatique de la fibre, le diamètre de mode ainsi que d’autres paramètres. L’arrangement périodique des trous de la gaine autour du trou central entraîne la résonance à une fréquence donnée dont la valeur dépend du diamètre des trous (de la gaine) qui est en général constant. Le mode associé à cette fréquence de résonance ne peut pas se propager dans la gaine, et se trouve donc confiné dans le cœur où il se propage. Il est possible d’augmenter le nombre de fréquences de résonance, d’augmenter dans le même temps la bande passante de transmission de la fibre et de diminuer sa dispersion en faisant varier de manière progressive le diamètre des trous de la gaine [26]. Remarquons que les fibres utilisant le principe de propagation par bande interdite photonique, offrent un éventail plus large de possibilités d’applications que les autres types de fibres microstructurées. Elles peuvent, par exemple, permettre des transmissions de fortes puissances.

Les nombreux avantages qu’elles offrent, sont :
– une grande proportion de l’intensité lumineuse (jusqu’à 95%) peut être localisée dans le cœur creux,
– l’interaction plus faible entre la lumière et la silice réduit le seuil de dommage,
– comme il n’y a plus de silice dans le cœur, les pertes par diffusion Rayleigh sont limitées,
– la possibilité de remplissage du cœur avec un liquide pour augmenter les interactions non linéaires. En dépit de ces avantages, la zone de transmission de la fibre est réduite à cause de l’apparition des modes de surface. Ce manuscrit n’abordera pas les fibres utilisant ce mécanisme de propagation.

La dispersion

La dispersion est une propriété de la fibre qui caractérise la différence de chemin à un instant t donné, entre les différents modes guidés dans la fibre, chaque mode étant représenté par son chemin de propagation, sa longueur d’onde et sa polarisation. Comme le but initial de la fibre optique est son utilisation dans les réseaux de télécommunications, la lumière est transmise sous forme d’impulsion dans les fibres. L’élargissement de ces impulsions lors de la propagation dans la fibre est également appelé la dispersion. Elle peut être classée en cinq catégories à savoir : La dispersion modale. Encore appelée inter-modale, la dispersion modale est liée à l’existence de plusieurs modes optiques guidés dans la fibre. En effet, pour une même longueur d’onde, différents modes peuvent se propager dans une fibre si cette dernière n’est pas monomode.

A cause de la différence de longueur des chemins parcourus, deux impulsions envoyées au même instant arriveront à des instants différents. Elle s’exprime en picosecondes par kilomètre (ps/km). Elle est la plus sévère des dispersions et entraîne une interférence entre les différentes impulsions. Pour pallier ce problème, l’utilisation des fibres monomodes a été recommandée. Hormis la dispersion modale qui n’apparaît que dans des fibres multimodes, les autres types de dispersion peuvent apparaître dans tout type de fibres. La dispersion liée au matériau. Même si la fibre est monomode, la longueur d’onde de propagation est centrée sur une valeur avec une légère variation autour de cette longueur d’onde. Cette variation dépend de la largeur spectrale de la source utilisée pour injecter la lumière dans la fibre. L’indice de réfraction de la fibre dépend de chaque composante du spectre.

Par conséquent, chaque mode se propage à une vitesse différente conduisant ainsi à l’élargissement temporel et à la déformation de l’impulsion. Cette dispersion est nulle dans les fibres de silice à une longueur d’onde de 1,27 µm [47]. La dispersion du guide. Elle provient de la résolution des équations d’onde qui montrent une dépendance de la constante de propagation à la longueur d’onde même si la dispersion du matériau n’est pas prise en compte. La dispersion chromatique. Il s’agit de la contribution la plus importante à la dispersion dans une fibre optique conventionnelle.

Elle inclut les dispersions du matériau et du guide. Ces effets combinés de la dispersion sont néfastes pour la propagation d’impulsion le long de la fibre. Ils limitent la distance maximale sur laquelle le signal peut se propager. La dispersion chromatique est minimale dans une fibre optique conventionnelle autour de la longueur d’onde de 1310 nm. Un autre type de fibre, la fibre à dispersion décalée (Dispersion-Shifted Fibre : DSF), a été mise au point afin de faire coïncider la longueur d’onde de dispersion minimale avec la longueur d’onde d’atténuation minimale qui est de 1550 nm. La DSF a fait l’objet d’une attention particulière durant cette thèse. Souvent notée D, la dispersion chromatique s’exprime en ps/(nm.km). On parle de régime de dispersion anomale lorsque la valeur de D est positive. Dans ce cas, les longueurs d’onde élevées se propagent moins vite que les autres.

Dans les autres cas, la dispersion est dite nomale. La mesure de la dispersion chromatique se fait au moyen du processus de mélange à 4 ondes (Four Wave Mixing : FWM) en utilisant le signal anti-Stokes FWM. Les impulsions utilisées sont de 1 µs. Un spectrogramme est tracé en utilisant des fenêtres de temps. Plus la fenêtre est grande, la détermination des oscillations est plus robuste mais avec moins de résolution [48]. La mesure de la dispersion chromatique peut se faire par des méthodes autres que le mélange à 4 ondes à l’instar de la méthode de la phase avec un interféromètre de Mach Zehnder.La dispersion de polarisation. Il est possible de supprimer la dispersion intermodale en utilisant une fibre monomode, tout comme la dispersion chromatique en travaillant à la longueur d’onde de zéro de dispersion. Toutefois, un autre type de dispersion dite de polarisation [49, 50] peut réduire la vitesse de transfert de données (bande passante) dans la fibre.

En effet, dans une fibre optique monomode, deux modes dégénérés ayant des polarisations orthogonales peuvent se propager. Ainsi, la vitesse de propagation du signal dépend de son état de polarisation. Considérant un cas idéal de symétrie parfaite,ces deux modes dégénérés peuvent se propager sans interargir. Mais de légères variations et dissymétries dans la structure du cœur de la fibre entraînent une interaction de ces deux modes, modifiant de fait leur caractère dégénéré. On parle de biréfringence. Il s’agit d’une propriété que certains matériaux transparents ont, en raison de leur structure cristallographique : c’est le cas de nombreux cristaux anisotropes qui, caractérisés par deux indices de réfraction, permettent de transmettre distinctement la lumière selon sa polarisation.

La biréfringence peut aussi être de nature extrinsèque : elle est dans ce cas induite dans le matériau sous l’action d’un champ électrique, magnétique, voire sous l’action de contraintes mécaniques.

Elle est caractérisée par :
– la biréfringence de phase ou modale (∆n)
∆ n = |nx − ny| (1.35) avec nx et ny les indices de réfraction du cœur de la fibre respectivement suivant l’axe des « x » et des « y ». Elle est normalement nulle. Mais à cause des défauts de fabrication, sa valeur moyenne est de l’ordre de 10−5 à 10−4 dans les PCF.
– la longueur de battement (LB) : c’est la distance nécessaire pour une rotation de 360° de la polarisation. C’est aussi la longueur de propagation dans la fibre au bout de laquelle n’importe quel état de polarisation se retrouve identique à lui-même. Son ordre de grandeur est de quelques centimètres. LB = λ ∆ n (1.36) Plus la biréfringence est élevée, moins grande est la longueur de battement. Ce type de dispersion est moins facile à maîtriser car il varie au cours du temps. Une façon de l’éviter est l’utilisation des fibres à maintien de polarisation à cœur elliptique [51], à biréfringence de contrainte (Bow-tie et Panda) [52]. Dans ces fibres spéciales, les deux axes orthogonaux de propagation ne sont plus identiques, l’un étant plus rapide que l’autre. Ainsi, la lumière linéairement polarisée suivant chacun des deux axes, se propopage à une vitesse différente sur chacun d’eux, conduisant alors à une biréfringence linéaire. Ce paramètre est important pour le couplage de modes car plus la biréfringence est forte (LB petite), plus il est difficile de réaliser ce couplage.

Le contrôle de la dispersion dans une fibre optique constitue un problème majeur dans les télécommunications. Grâce aux fibres microstructurées, la dispersion peut être optimisée à dessein. En effet, il est possible de réaliser des fibres soit avec des zéros de dispersion à des longueurs d’onde inférieures à 1,27 µm en rendant la dispersion plus anomale (la valeur de D positive) ou avec une dispersion nomale à 1,55 µm [47, 53]. Les problèmes de dispersion sont moins désastreux dans des applications capteurs qu’ils ne le sont dans des applications de télécommunications optiques. Cela s’explique par le fait que les longueurs de fibres concernées dans les applications capteurs sont plus faibles que celles utilisées dans les télécommunications optiques [28]. Nous nous sommes donc moins intéressés à la dispersion dans les PCF que nous avons utilisées.

Table des matières

Remerciements
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des acronymes
Liste des symboles
Introduction Générale
Bibliographie
1 Les fibres à cristaux photoniques 
1.1 Bref aperçu de la fibre optique
1.2 Les fibres à cristaux photoniques
1.2.1 La propagation par réflexion totale interne modifiée
1.2.2 La propagation par bande interdite photonique
1.2.3 La présentation des PCF utilisées
1.2.4 Les paramètres importants des PCF
1.2.4.1 L’indice de réfraction
1.2.4.2 L’atténuation
1.2.4.3 L’aire effective optique
1.2.4.4 L’ouverture numérique
1.2.4.5 La fréquence normalisée
1.2.4.6 La dispersion
1.2.4.7 Les interactions onde-matière
1.2.5 Les applications des PCF
1.3 Modélisation des fibres à cristaux photoniques 
1.4 Techniques d’épissures des fibres microstructurées 
1.5 Conclusion
Bibliographie
2 La diffusion Brillouin et les modes de résonance acoustique 
2.1 Généralités 
2.2 La diffusion Brillouin et les modes longitudinaux 
2.2.1 La diffusion Brillouin spontanée
2.2.2 La diffusion Brillouin stimulée
2.2.2.1 Les mécanismes mis en jeu
2.2.2.2 L’électrostriction
2.2.2.3 La puissance de seuil Brillouin
2.3 Les modes transverses 
2.3.1 Les modes radiaux Rom
2.3.2 Les modes torsio-radiaux TR2m
2.4 Les modes acoustiques transverses dans les PCF
2.5 Mesures des modes acoustiques transverses 
2.5.1 En direct
2.5.1.1 Banc expérimental
2.5.1.2 Résultats
2.5.2 Dans une boucle non linéaire
2.5.2.1 Fondement théorique
2.5.2.2 Banc expérimental
2.5.2.3 Résultats
2.6 Conclusion
Bibliographie
3 Réflectométrie Brillouin basée sur les modes acoustiques guidés 
3.1 Etat de la matière en réflectométrie 
3.1.1 La résolution spatiale
3.1.2 La fréquence de répétition des impulsions
3.1.3 Les variantes d’OTDR
3.2 Réflectométrie Brillouin (BOTDR)
3.2.1 Principe de fonctionnement
3.2.1.1 Schéma de principe
3.2.1.2 Caractéristiques de l’impulsion
3.2.2 Dispositifs expérimentaux
3.2.2.1 Réglage du modulateur électro-optique
3.2.2.2 Préparation du signal avant la fibre testée
3.2.2.3 Le signal rétrodiffusé
3.2.3 Analyse de données
3.2.3.1 La fréquence d’échantillonnage
3.2.3.2 La fenêtre de temps
3.2.4 Résultats expérimentaux des mesures en réflectométrie
3.2.4.1 Sur deux fibres SMF en cascade
3.2.4.2 Sur SMF de 2,2 km
3.2.4.3 Contrôle du montage : mesures en continu
3.2.4.4 Sur DSF
3.2.4.5 Sur PCF T452A
3.2.4.6 Etude de l’influence de τ sur les résultats
3.2.4.7 Obstacles de mesure
3.3 Réflectométrie Brillouin à base de modes hybrides
3.3.1 Amélioration du montage avec l’utilisation de deux diodes
3.3.2 Résultats expérimentaux
3.3.2.1 Sur DSF
3.3.2.2 Sur PCF
3.4 Avantages et faiblesses du BOTDR 
3.4.1 Avantages
3.4.2 Faiblesses
3.4.2.1 Limitations en résolutions spatiale et en fréquence
3.4.2.2 Limitations en puissance retour Brillouin / Seuil Brillouin
3.4.2.3 Limitations de la fréquence de répétition des impulsions
3.5 Conclusion 
Bibliographie
4 Analyse Brillouin basée sur les modes acoustiques guidés
4.1 L’analyse Brillouin (BOTDA)
4.1.1 Principe
4.1.2 Différents types de BOTDA
4.1.2.1 Cas a) : BOTDA avec amplification de la sonde
4.1.2.2 Cas b) : BOTDA avec atténuation de la sonde
4.2 BOTDA vectoriel 
4.2.1 Principe de fonctionnement
4.2.2 Dispositifs expérimentaux
4.2.3 Analyse de données
4.2.4 Résultats expérimentaux
4.3 Les applications
4.3.1 Présentation de la PCF à diamètre variable
4.3.2 Variation de la fréquence en fonction du diamètre
4.4 Conclusion 
Bibliographie
Conclusion et Perspectives
Bibliographie
Liste des publications
Liste des revues

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