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Fibres optiques monomodes à saut d’indice : approche ondulatoire
La description géométrique du guidage est utile pour introduire un certain nombre de para-mètres tels que l’ouverture numérique ou la fréquence normalisée que nous venons d’aborder. Cependant, elle n’a de sens que pour des …bres optiques multimodes, dont le diamètre est très supérieur à la longueur d’onde. Dans le cas des …bres monomodes, seules les équations de Maxwell permettent de décrire convenablement la propagation des ondes.
Equation de propagation
L’équation de propagation véri…ée par les composantes du champ électromagnétique se pro-pageant dans une …bre optique se déduit des équations de Maxwell correspondant à un milieu diélectrique isotrope et sans pertes. Du fait de la géométrie d’une …bre optique, les champs électrique E et magnétique H solutions de ces équations à une pulsation ! sont données en utilisant un système de coordonnées cylindriques (r; ‘; z) où z est l’axe de la …bre et r; ‘ sont les coordonnées radiales et azimuthales dans le plan de section droite de la …bre.
E~(r; ‘; z) = ~e(r; ‘) ei (! t z) (2.5)
H~(r; ‘; z) = ~h(r; ‘) ei (! t z)
où est la constante de propagation longitudinale.~
Si désigne indi¤éremment ~e(r; ‘) ou h(r; ‘), l’équation de propagation se présente classi-quement sous la forme : @2 1 @ 1 @2 + (k2 n22) = 0 (2.6) où n est l’indice de réfraction du milieu considéré (supposé homogène), k = 2 la norme du vecteur d’onde et la longueur d’onde de la lumière dans le vide. Cette équation étant à variables séparables, les solutions recherchées sont de la forme : (r; ‘) = f(r) g(‘).
Si la dépendance azimuthale g(‘) de s’exprime sous la forme ei l ‘ entier, l’équation de propagation peut aussi s’écrire sous la forme : @2f 1 @f + k2 ni2 2 l2 f(r) = 0 + @r2r@rr2 (2.7)
Les solutions générales de l’équation véri…ée par f(r) sont alors soit des combinaisons linéaires de fonctions de Bessel de première ou de seconde espèce et d’ordre entier l (si k2 n2i 2 > 0), soit des combinaisons linéaires de fonctions de Bessel modi…ées de première ou de seconde espèce et d’ordre entier l (si k2 n2i 2 < 0).
Notion de modes guidés, de gaine, radiatifs
Fibre optique à gaine optique in…nie La …bre optique se compose de deux mileux concentriques d’indices de réfraction constants dans le cœur (nc) et dans la gaine optique (ng). On suppose que cette dernière s’étend à l’in…ni. Les solutions physiques de la distribution radiale f(r) dans le cœur et dans la gaine optique sont déterminées indépendamment et reliées entre elles par les conditions aux limites et une condition de normalisation de la puissance transportée par un mode.
Les conditions aux limites sont les suivantes :
(i) champs nuls lorsque r tend vers l’in…ni,
(ii) champs …nis en r = 0,
(iii) continuité des composantes tangencielles des champs (c’est à dire les composantes longitudinales et azimutales) et de leurs dérivées à l’interface cœur-gaine optique (r = rc).
Pour qu’une onde électromagnétique soit guidée par ce modèle de …bre optique, sa constante de propagation doit véri…er la relation k2 n2g 2 k2 n2c. Par ailleurs, les conditions de continuité des champs (équation aux valeurs propres) imposent que pour l …xé, il existe un ensemble discret de m valeurs prises par la constante de propagation , notée lm. La …bre peut donc guider un ensemble discret de m types d’ondes qui sont appelées modes.
Lorsque 2 k2 n2g, la condition d’un champ nul à l’in…ni n’est plus respectée. Les solutions de l’équation d’onde ne correspondent plus à des ondes guidées mais à des modes radiatifs, aussi appelés modes rayonnants. Comme il n’est pas possible de leur associer une équation aux valeurs propres, toute valeur de telle que 2 k2 n2g est une solution. Ainsi, les modes radiatifs forment un continuum.
Fibre optique à gaine d’épaisseur …nie Dans ce cas, la gaine optique a une étendue limitée. Elle est entourée d’un milieu extérieur également supposé isotrope d’indice de ré-fraction ne, généralement inférieur à ng (…bre de silice et milieu extérieur gazeux ou aqueux). La condition de ré‡exion totale étant véri…ée (ne < ng), l’interface gaine-milieu forme une seconde cavité optique qui possède ses propres modes guidés, appelé modes de gaine du fait de leur guidage par l’interface gaine-milieu extérieur. Comme dans le cas de l’interface cœur-gaine, ces modes peuvent être considérés comme résultant d’une discrétisation, sur la plage k2 n2e 2 k2 n2g, du continuum de modes rayonnants introduits précédemment.
L’ensemble des modes guidés et rayonnés forme une base orthogonale sur laquelle tout champ peut être décomposé. Il en résulte que la puissance totale transportée est la somme des puissances transportées par chaque mode.
Notion d’indice e¤ectif
A chaque mode lm qui se propage avec une constante de propagation lm est associé un indice de réfraction e¤ectif nlmeff qui dépend de la longueur d’onde et correspond à l’indice « vu » par le mode : nlm = lm ef fk(2.8)
La condition de guidage sur la constante de propagation lm impose que la valeur de nlmeff soit comprise entre le plus petit et le plus grand des indices des couches qui constituent le pro…l d’indice. Dans le cas d’une …bre constituée de deux milieux homogènes concentriques d’incides de réfraction nc (cœur) et ng (gaine), ng nlmeff nc.
Un nouveau type de guide : les …bres microstructurées
Dé…nition
Dans les …bres microstructurées, apparues dans le milieu des années 1990 [Birks 1995], la gaine est constituée d’une matrice de canaux d’air colinéaires à l’axe optique. Les premières …bres silice contenant des canaux d’air ont été réalisées à l’université de Southampton [Knight 1996].
À partir de 2000, le nombre d’acteurs (laboratoires et start-ups) présents dans ce domaine a considérablement augmenté et ces …bres originales ont pris pied dans plusieurs champs d’applications. Des télécommunications à la biophotonique en passant par les capteurs ou les sources laser, les …bres microstructurées o¤rent des propriétés de propagation tout à fait singulières du fait des multiples interactions possibles entre les champs guidés et la structure hétérogène. Une …bre microstructurée est caractérisée par le diamètre d de ses canaux et le pas du réseau correspondant à la distance entre deux trous consécutifs (cf. …g. 2.3).
Principe de fonctionnement
Guidage par ré‡exion totale interne Dans une …bre microstructurée à cœur solide, la présence de canaux d’air dans la gaine a pour e¤et de réduire la valeur de son indice moyen par rapport à celui du cœur. Ainsi, la lumière peut être guidée suivant le principe de ré‡exion totale. Cependant, l’indice e¤ectif de gaine dépend très fortement de la longueur d’onde du faisceau lumineux qui se propage dans le cœur de la …bre microstructurée [Brechet 2000]. Aux courtes longueurs d’onde, l’indice e¤ectif (vu par la lumière) de gaine est proche de celui de la silice. La lumière pénètre peu dans la gaine et reste con…née dans le cœur de la …bre. En revanche, lorsque la longueur d’onde augmente, l’indice e¤ectif de gaine diminue et la lumière s’étend plus profondément dans les canaux. Cette extension du champ dépend des paramètres optogéométriques d et de la …bre et leur ajustement su¢ t à obtenir des pro…ls d’indice variés.
Guidage par bande interdite photonique Dans les …bres microstructurées à cœur creux, la propagation du faisceau lumineux par ré‡exion totale interne ne peut plus avoir lieu. Le guidage est alors fondé sur un phénomène physique di¤érent, observable dans les cristaux photoniques.
Les cristaux photoniques sont constitués d’un arrangement périodique de matériaux d’indices de réfraction di¤érents. En raison de la périodicité, il peut exister une bande de longueurs d’onde pour laquelle la propagation de la lumière est interdite, appelée Bande Interdite Photonique (BIP). Si un défaut de périodicité est introduit dans le réseau, un faisceau lumineux dont la longueur d’onde appartient à la BIP pourra être piégé et propagé au niveau du défaut.
Les propriétés optiques des cristaux photoniques permettent de réaliser des …bres optiques à guidage par bande interdite photonique dont l’indice de réfraction du cœur d’air (le dé-faut) est inférieur à celui de la gaine (réseau de canaux d’air formant le cristal photonique) [Cregan 1999]. Le diamètre d et le pas d’échantillonnage des trous permettent de déter-miner les longueurs d’onde et les angles d’incidence pour lesquels la lumière est ré‡échie. Cependant, la qualité de propagation de l’onde lumineuse dépend directement et fortement de la régularité du réseau et nécessite un contrôle accru des paramètres de fabrication.
Applications Du fait de l’interaction des champs guidés avec les microcanaux d’air pré-sents dans la structure, les …bres microstructurées sont des candidates particulièrement inté-ressantes pour réaliser des capteurs aux nouvelles fonctionnalités. En e¤et, c’est la grande proximité entre le champ guidé et un transducteur présent dans les trous qui rend ces …bres séduisantes. Par exemple, un composé chimio-sélectif introduit dans les trous d’une …bre mi-crostructurée peut constituer un capteur ultrasensible en modi…ant la propagation du mode guidé en présence du composé à détecter.
Capteurs à Fibres Optiques (CFO)
La technologie des Capteurs à Fibres Optiques est actuellement en plein essor et pro…te pleinement des progrès réalisés ces dernières années dans les domaines de l’optoélectronique, des …bres optiques et des composants associés, massivement utilisées en télécommunications. L’engouement est tel que le champ d’application de ces capteurs tend aujourd’hui à couvrir celui des capteurs traditionnels dans de nombreux domaines. En e¤et, les …bres optiques o¤rent de nombreux avantages tels qu’un faible coût, une faible intrusivité, une mesure in situ en temps réel dans des endroits di¢ cilement inaccessibles, le transport de la grandeur mesurée sur de grandes distances ainsi qu’une immunité électromagnétique intrinsèque inhérente au matériau silice.
Dé…nition
Un Capteur à Fibres Optiques (CFO) est un dispositif comprenant au moins une …bre optique. L’information représentative de la grandeur observée est créée dans le chemin optique de l’onde lumineuse circulant dans la ou les …bres, par réaction de la lumière à la grandeur à mesurer, avant d’être acheminée vers le récepteur optique [Ferdinand 1992, Ferdinand 2008]. De manière générale, l’architecture d’un CFO comporte les sous-ensembles suivants (cf. …g. 2.4) :
(i) un émetteur de lumière, constitué d’une ou de plusieurs sources lumineuses monochro-matiques, cohérentes ou non, continues ou impulsionnelles,
(ii) une …bre optique (monomode ou multimode) qui peut être soit standard, soit spé-cialement réalisée pour e¤ectuer une mesure dans un contexte particulier. Des équipements annexes (coupleurs, polariseur, connecteurs optiques, etc.) doivent généralement lui être adjoints,
(iii) un transducteur, élément sensible à la grandeur physique à mesurer, qui module le signal émis par la source et donne la correspondance entre la valeur de cette grandeur et la valeur prise par l’une des grandeurs caractéristiques de la lumière (intensité, polarisation, longueur d’onde, etc.). La …bre peut constituer elle-même cet élément sensible. On parle alors de capteur « intrinsèque » . A contrario, lorsqu’un élément transducteur est adjoint dans le dispositif, on parle alors de capteur « extrinsèque »
(iv) un récepteur de lumière : en général une (ou plusieurs) photodiode(s) suivie(s) d’un étage électronique d’ampli…cation,
(v) une chaîne de traitement du signal, chargée d’extraire les informations sur la grandeur mesurée,
(vi) des circuits d’alimentation en énergie.
Modulation de la lumière et transduction
Le transducteur module le signal émis par la source. Dans le cas d’une …bre optique, plusieurs phénomènes optiques peuvent être utilisés pour mesurer diverses grandeurs physiques. Les modes de transduction se répartissent en cinq catégories suivant la manière dont la lumière est modulée par la …bre optique : modulation d’intensité, de phase, de polarisation, de longueur d’onde ou de temps. La sensibilité d’un CFO dépend beaucoup du mode de transduction associé. Capteurs à modulation d’intensité La grandeur physique à mesurer module directe-ment l’intensité de la lumière traversant la …bre optique. L’onde incidente peut subir une atténuation en cas de micro-courbures [Lagakos 1987] de la …bre ou en présence d’un milieu absorbant, voire di¤usant. Inversement, elle sera ampli…ée par des phénomènes de lumi-nescence, de ‡uorescence ou de phosphorescence au cours de sa propagation. Ce type de modulation présente de multiples avantages tels que la simplicité, la résistance à des envi-ronnements sévères et le prix de revient modéré. Cependant, la mesure étant sensible aux ‡uctuations de puissance de la source et à l’a¤aiblissement du signal par la ligne optique, il est nécessaire de prévoir une voie de référence pour la normalisation des résultats lors du traitement du signal.
Capteurs à modulation de phase La modulation de phase d’une onde optique peut être due à une élévation de la température [Lee 1989], à l’e¤et de la pression acoustique [Layton 1979] ou de la modi…cation de l’indice de réfraction en surface de la …bre optique. Cette variation de phase de l’onde lumineuse est généralement mesurée de manière indirecte, souvent à l’aide d’un dispositif interférométrique (Michelson, Mach-Zehnder, Sagnac, etc) qui mesure le déphasage entre deux ondes ayant parcouru des chemins optiques di¤érents. Les capteurs optiques fondés sur ce principe sont particulièrement sensibles et beaucoup plus précis que ceux utilisant la modulation d’amplitude.
Capteurs à modulation d’état de polarisation La modulation de polarisation apparaît lors de la propagation d’une onde dans un milieu biréfringent. La mesure consiste à évaluer le déphasage de deux ondes polarisées s’étant propagées suivant les axes neutres d’une …bre optique monomode, biréfringente. Lorsqu’une perturbation est appliquée à une …bre mo-nomode, sa biréfringence (écart entre les indices associés aux deux axes de propagation du guide) s’en trouve modi…ée et par voie de conséquence, les constantes des deux modes qui s’y propagent. Il en résulte une variation de l’état de polarisation de la lumière lors de la propagation et par voie de conséquence à la sortie de la …bre, variation liée à l’intensité de la perturbation [Mancier 1995].
Capteurs à modulation spectrale La modulation de longueur d’onde apparaît lors de la propagation d’une onde dans un milieu dont les propriétés d’absorbance ou d’émission sont corrélées à la valeur du paramètre mesuré. Par exemple, les spectres d’absorption des milieux semi-conducteurs ou les spectres de ‡uorescence des …bres optiques dopées aux terres rares [Wade 2003] varient avec la température. Les réactions chimiques sont elles aussi susceptibles de produire de nombreux phénomènes colorés exploitables par ce type de capteurs.
Notons que les capteurs utilisant la modulation en longueur d’onde reposent généralement sur des modes de détection interférométrique ou di¤érentielle car ces derniers permettent de s’a¤ranchir des e¤ets, souvent non négligeables, des variations parasites d’intensité (par exemple, pertes dues aux câbles et aux connexions). Ils requièrent donc une installation relativement complexe. Néanmoins, la spectrométrie est une technique de mesure performante en termes de résolution et de précision.
Réseaux de Bragg dans les …bres optiques
Capteurs à modulation de temps La modulation temporelle apparaît lorsqu’une im-pulsion lumineuse traverse une zone sensible où elle est transformée ou retardée. La mesure repose sur l’analyse des conséquences induites par cette impulsion incidente au sein du cœur de la …bre, en particulier via les phénomènes de di¤usion qui y prennent naissance (Rayleigh, Raman ou Brillouin). Ainsi, l’analyse de la lumière rétrodi¤usée par une …bre optique dans laquelle une impulsion lumineuse est injectée permet de détecter la présence de défauts et d’en déterminer la position grâce à la mesure de son temps de propagation. Cette approche dénommée OTDR (Optical Time-Domain Re‡ectometer) est utilisée en routine pour caracté-riser et tester les lignes en télécommunications. Cette technique peut également être utilisée pour la mesure de la distribution le long de la …bre des paramètres (température, contraintes mécaniques, etc.) qui a¤ectent les conditions de propagation de l’impulsion lumineuse et en particulier le phénomène de di¤usion Raman sensible aux e¤ets thermiques et celui de di¤usion Brillouin in‡uencé tant par les déformations que la température subie par la …bre.
Réseaux de Bragg dans les …bres optiques
Les modes guidés qui se propagent dans une …bre optique idéale sont orthogonaux. Il ne peut donc pas y avoir de couplage direct entre eux. En revanche, dans une …bre optique réelle, la géométrie n’est jamais parfaitement cylindrique et l’indice de réfraction longitudinal subit de très légères ‡uctuations. De plus, la …bre ayant une extension radiale limitée, les intégrales de recouvrement ne sont jamais nulles. Il en résulte alors un couplage intermodal.
Dans une …bre monomode, le couplage d’une partie de l’énergie du mode guidé vers un mode radiatif se traduit par une simple atténuation. Cependant, ce n’est pas la seule possibilité de transfert énergétique. Il peut également y avoir couplage avec les modes rétrodi¤usés (vers l’arrière), conséquence de la di¤usion de la lumière sur les non-uniformités microscopiques du guide. Or, il se trouve que le couplage entre ces modes contrapropagatifs peut être considérablement accru par une variation périodique de l’indice de réfraction (structure non uniforme) induite dans le cœur de la …bre. C’est sur ce principe que repose la technologie des réseaux de Bragg …brés.
Dé…nition
Un réseau de Bragg consiste en une modulation d’indice induite dans le cœur d’une …bre optique par photo-inscription. Il forme un réseau épais de di¤raction qui se comporte comme un ré‡ecteur sélectif en longueur d’onde. Dans le cas d’un réseau de Bragg à pas uniforme , dans lequel la modulation d’indice de réfraction est perpendiculaire à l’axe de propagation de la …bre, la lumière est ré‡échie sur une plage spectrale très étroite, centrée sur une longueur d’onde bien spéci…que appelée longueur d’onde de Bragg (cf. …g. 2.5). Si l’onde guidée par la …bre optique se propage avec un indice e¤ectif nef f , la longueur d’onde de Bragg est donnée par la relation : Bragg = 2nef f (2.9)
Inscription de réseaux de Bragg
Les premières expériences d’inscription de réseaux de Bragg remontent à 1978, lorsque l’équipe de K. O. Hill du CCR (Centre de Recherche sur les Communications optiques), Ottawa, Canada, mit en évidence le phénomène de photosensibilité du cœur d’une …bre op-tique dopée à l’oxyde de germanium [Hill 1978, Kawasaki 1978]. En y injectant un faisceau laser à 488 nm, ils observèrent une augmentation avec le temps de l’intensité de la lumière ré-trodi¤usée, jusqu’à rétrodi¤usion totale de la lumière injectée. Ce phénomène irréversible fut alors attribué à une modi…cation permanente de l’indice de réfraction du cœur de la …bre sous l’e¤et d’une irradiation. Dans le même temps, l’équipe de W.W. Morey et G. Meltz à l’UTRC (United Technologies Research Center) travaillent sur le même sujet [Morey 1989]. Ces deux laboratoires sont de fait les « co-inventeurs » des réseaux de Bragg et les propriétaires de plusieurs brevets de bases sur cette technologie.
Photosensibilité des …bres dopées à l’oxyde de germanium
Comme nous l’avons mentionné en amont, lors de la fabrication d’une …bre optique, le cœur est généralement dopé, par exemple à l’oxyde de germanium, a…n d’ajuster le pro…l d’indice. L’inscription d’un réseau de Bragg dans le cœur d’une …bre optique repose sur les propriétés de photosensibilité de la silice ainsi dopée, susceptible de subir une modi…cation permanente de son indice de réfraction sous l’action d’un rayonnement ultraviolet. La photosensibilité des …bres dopées à l’oxyde de germanium met en jeu des phénomènes complexes liés aux dopants, allant de la présence de bandes d’absorption situées autour de 240 nm [Hosono 1992] à la création de centres colorés [Hand 1990, Cohen 1957] en passant par la relaxation structurale et la densi…cation des molécules [Poumellec 1996].
Le pic d’absorption de la silice dopée à l’oxyde de germanium étant proportionnel à la concen-tration de dopants, la photosensibilité des …bres à haute teneur en germanium est accrue. Cependant, la fabrication de telles …bres s’avère complexe (fortes contraintes dans la préforme) et donc coûteuse. Cependant, plusieurs techniques permettent d’augmenter considérable-ment la photosensibilité d’une …bre faiblement dopée, la plus utilisée étant l’hydrogénation. Pour ce faire, la …bre est placée dans une enceinte sous pression (typiquement 200 bar) contenant de l’hydrogène pendant plusieurs jours [Lemaire 1993]. Les molécules d’hydrogène di¤usent dans le cœur de la …bre et réagissent avec le germanium pour créer des défauts supplémentaires, sensibles à l’irradiation au rayonnement ultraviolet. Ainsi, des …bres stan-dard et peu coûteuses comme celles destinées aux télécommunications peuvent être utilisées pour l’inscription de réseaux de Bragg. L’inconvénient de cette technique se situe au ni-veau des pertes par absorption induite par l’hydrogénation dans la fenêtre proche infrarouge utilisée dans les télécommunications optiques. Des travaux portant sur le remplacement de l’hydrogène par du deutérium [Stone 1987] ont montré que cette technique permettait de décaler cette bande d’absorption vers les hautes longueurs d’onde. Plus complexe et couteux, l’emploi de deutérium reste cependant marginal. D’autre part, des études ont montré que les réseaux de Bragg inscrits dans des …bres optiques photosensibilisées par hydrogénation à haute pression et température ambiante présentent une stabilité inférieure à celle des réseaux inscrits dans des …bres non traitées. La mise au point d’une nouvelle méthode de photo-sensibilisation, l’hypersensibilisation par UV, résulte de ce constat. Cette dernière consiste à insoler uniformément par rayonnement UV une …bre optique préalablement hydrogénée à haute pression. Cette méthode permet d’améliorer la ré‡ectivité des réseaux par rapport à ceux inscrits dans des …bres uniquement hydrogénées ou non traitées [Canning 2000]. Plus récemment, des chercheurs ont montré qu’il était possible d’augmenter considérablement la photosensibilité des …bres standard destinées aux télécommunications en leur appliquant une tension mécanique longitudinale (amplitude typique équivalente à un alongement de 3 %) lors de l’inscription du réseau [Salik 2000].
Méthodes d’inscription
Dans le cas particulier de l’expérience de K. O. Hill, l’inscription du réseau de Bragg résulte de la création d’une onde stationnaire se formant par interférence (succession de zones sombres et brillantes) entre les ondes incidente et rétrodi¤usée en bout de …bre par ré‡exion de Fresnel. La longueur d’onde de la lumière ré‡échie par le réseau est donc accordée sur celle de la lumière émise par le laser utilisé pour l’inscription, soit 488 nm.
Méthode interférométrique transverse Suite à la mise en évidence du phénomène de photosensibilité et à l’invention du réseau de Bragg, l’équipe de G. Meltz [Meltz 1989] proposa une amélioration fondamentale du procédé d’inscription. Il s’agit d’une méthode d’inscription transverse, permettant de créer des réseaux fonctionnant à n’importe quelle longueur d’onde. Au lieu d’inscrire le réseau selon un procédé longitudinal, l’inscription du réseau de Bragg dans le cœur d’une …bre optique dopée à l’oxyde de germanium résulte de l’insolation latérale avec une …gure d’interférence (succession de franges sombres et brillantes). De fait, toute longueur d’onde caractéristique (longueur d’onde de Bragg) est accessible à ce type de réseau via l’ajustement du pas des franges d’interférences.
En 1981, une étude détaillée a montré qu’à 488 nm, la variation d’indice induite dans le cœur de la …bre est proportionnelle au carré de l’intensité de la lumière utilisée pour l’inscription du réseau, ce qui correspond à un processus d’absorption à deux photons [Lam 1981] (ab-sorption de deux photons, émission d’un photon). L’utilisation d’un seul photon de fréquence double et donc de longueur d’onde moitié, soit 244 nm, a permis d’améliorer considérable-ment l’e¢ cacité du processus d’absorption et par voie de conséquence celle du protocole d’inscription de réseau de Bragg. Dans l’expérience de G. Meltz, la …gure d’interférence est donc générée par un interféromètre à deux ondes et un laser à 244 nm. Le pas de la …gure d’interférences se réglant simplement en changeant l’angle entre les deux faisceaux qui in-terfèrent (cf. …g. 2.6), il est désormais possible de choisir la longueur d’onde de la lumière ré‡échie par le réseau. La relation entre le pas et l’angle est donnée par l’équation : 2 sin= 0 (2.10) où 0 est la longueur d’onde du rayonnement UV servant à l’inscription du réseau. Le principal avantage du banc interférométrique transverse (par exemple de type miroir de Lloyd) est donc de donner accès à tout un éventail de longueurs d’ondes de Bragg ; son inconvénient se situe au niveau de la di¢ culté des réglages.
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Table des matières
1 Introduction
1.1 Motivations
1.2 Objectifs
1.3 Structure de ce mémoire
1.4 Collaboration
I État de l’art
2 Fibres optiques et réseaux de Bragg
2.1 Généralités sur les …bres optiques
2.1.1 Dé…nitions
2.1.2 Fibres optiques monomodes à saut d’indice : approche ondulatoire
2.1.2.1 Equation de propagation
2.1.2.2 Notion de modes guidés, de gaine, radiatifs
2.1.2.3 Notion d’indice e¤ectif
2.1.3 Un nouveau type de guide : les …bres microstructurées
2.1.3.1 Dé…nition
2.1.3.2 Principe de fonctionnement
2.1.4 Capteurs à Fibres Optiques (CFO)
2.1.4.1 Dé…nition
2.1.4.2 Modulation de la lumière et transduction
2.2 Réseaux de Bragg dans les …bres optiques
2.2.1 Dé…nition
2.2.2 Inscription de réseaux de Bragg
2.2.2.1 Photosensibilité des …bres dopées à l’oxyde de germanium
2.2.2.2 Méthodes d’inscription
2.2.3 Classi…cation des réseaux de Bragg
2.2.3.1 Réseaux de Bragg uniforme
2.2.3.2 Réseau à pas court et traits inclinés
2.2.4 Transducteurs à réseaux de Bragg
2.2.4.1 Sensibilité des réseaux standard
2.2.4.2 Sensibilité à l’indice de réfraction environnant
3 Principe de fonctionnement des biocapteurs
3.1 Dé…nition
3.2 Les biorécepteurs
3.2.1 Les anticorps
3.2.2 Les enzymes
3.2.3 L’ADN
3.2.4 Les cellules entières
3.3 Les méthodes de transduction
3.3.1 Les transducteurs thermiques
3.3.2 Les transducteurs électrochimiques
3.3.2.1 Capteurs potentiométriques
3.3.2.2 Capteurs ampérométriques
3.3.2.3 Capteurs conductimétriques
3.3.3 Les transducteurs acoustiques
3.3.3.1 Microbalance piézoélectrique ou à quartz
3.3.3.2 Capteur à bras de levier
3.3.4 Les transducteurs optiques
3.3.4.1 La détection de ‡uorescence
3.3.4.2 Capteurs ellipsométriques
3.3.4.3 Capteurs à ondes évanescentes
3.4 Les biocapteurs à …bres optiques
3.4.1 Dé…nitions
3.4.2 Biocapteurs …brés à ondes évanescentes « classiques »
3.4.3 Biocapteurs …brés à plasmons de surface
3.4.4 Biocapteurs …brés à réseaux de Bragg
3.4.5 Biocapteurs à …bres microstructurées
4 Fonctionnalisation chimique de surfaces
4.1 Biofonctionnalisation directe
4.1.1 L’adsorption
4.1.2 Le couplage covalent
4.1.3 La réticulation
4.2 Fonctionnalisation intermédiaire du substrat
4.2.1 Multicouches de polyélectrolytes
4.2.1.1 Dé…nition
4.2.1.2 Méthodes de dépôt
4.2.1.3 Multicouches à croissance linéaire
4.2.1.4 In‡uence des paramètres de construction
4.2.2 Polymères
4.2.2.1 Dé…nitions
4.2.2.2 Polymérisation grafting from
4.2.3 Silanisation des substrats de silice
4.2.4 Immobilisation du biorécepteur
4.2.4.1 Adsorption de protéines par interactions électrostatiques
4.2.4.2 Gre¤age covalent de biomolécules
4.2.4.3 A¢ nité avidine biotine
4.3 Conclusion
II Méthodologie développée
5 Matériels et méthodes de détection
5.1 Mesures spectrales
5.1.1 Description du montage
5.1.2 Principe de fonctionnement de la source accordable
5.1.3 Caractéristiques du montage
5.2 Inscription du réseau de Bragg à traits inclinés
5.2.1 Principe du montage à miroir de Lloyd
5.2.2 Inscription des réseaux standard
5.2.3 Inscription des réseaux à traits inclinés
5.3 Caractéristiques de la réponse spectrale en transmission d’un réseau de Bragg à traits inclinés
5.3.1 Couplage du mode fondamental vers les modes de gaine
5.3.2 Couplage du mode fondamental vers le continuum de modes radiatifs
5.3.3 Distance spectrale entre deux résonances consécutives
5.4 Analyse et traitement numérique des spectres
5.4.1 Approche discrète
5.4.1.1 Suivi du décalage spectral
5.4.1.2 Suivi de l’amplitude d’une unique résonance spectrale
5.4.2 Exemple d’approche globale : « méthode des aires »
5.4.3 Approche globale basée sur l’analyse fréquentielle du spectre
5.5 Le système BraggLight
6 Réalisation de biocapteurs mettant en œuvre la technologie des réseaux de Bragg
6.1 Méthode « tout électrostatique »
6.1.1 Matériel et réactifs
6.1.1.1 Cuve de fonctionnalisation
6.1.1.2 Polyélectrolytes
6.1.1.3 Protéines bioréceptrices
6.1.2 Protocole de biofonctionnalisation
6.1.2.1 Décapage de la surface de la …bre
6.1.2.2 Activation de la surface de silice
6.1.2.3 Dépôts d’une multicouche de polyélectrolytes
6.1.2.4 Adsorption de la biomolécule sonde
6.2 Stratégies visant à augmenter la stabilité du biorécepteur
6.2.1 Polymères portant la fonction carboxyle
6.2.1.1 Dextran carboxyméthylé
6.2.1.2 Acide polyacrylique
6.2.2 Glutaraldéhyde : utilisation de la fonction aldéhyde
6.2.3 Extravidine : utilisation de l’a¢ nité avidine-biotine
6.3 Méthode covalente
6.3.1 Matériel
6.3.2 Protocole de biofonctionnalisation
6.3.2.1 Activation
6.3.2.2 Silanisation
6.3.2.3 Gre¤age de l’amorceur
6.3.2.4 Polymérisation radicalaire sous UV
6.3.2.5 Gre¤age covalent de l’extravidine
6.3.2.6 Gre¤age du biorécepteur par a¢ nité avidine-biotine
III Expérimentation : résultats et discussion
7 Elaboration d’un biocapteur « tout électrostatique »
7.1 Construction de …lms de polyélectrolytes
7.1.1 Paramètres relatifs à la construction d’une multicouche
7.1.1.1 Notion d’indice moyen
7.1.1.2 Activation de la silice
7.1.2 Cinétiques des étapes de construction d’une multicouche
7.1.2.1 Concentrations et temps d’incubation : cas d’une multicouche PEI/DSS
7.1.2.2 Choix du solvant
7.1.2.3 Cinétique de croissance des …lms : « modèle des trois zones »
7.1.3 Interaction des polyélectrolytes avec le milieu extérieur
7.1.3.1 Indice de polymolécularité et longueur des chaînes polymères
7.1.3.2 Polyélectrolyte fort ou faible : Sensibilité vis-à-vis du pH
7.1.4 Point de fonctionnement
7.2 Adsorption d’une biomolécule sonde
7.2.1 Adsorption de molécules : modèle de Langmuir
7.2.1.1 Dé…nition
7.2.1.2 Linéarisation
7.2.2 Adsorption de l’Albumine de Sérum Bovin (BSA)
7.2.2.1 Choix de la concentration en BSA
7.2.2.2 Caractérisation de la surface fonctionnalisée par microscopie à force atomique
7.2.2.3 Cinétique d’adsorption de la biomolécule sonde
8 Performances et limites du biocapteur « tout électrostatique » : introduction de l’extravidine
8.1 Performances du biocapteur « tout électrostatique »
8.1.1 Reconnaissance anticorps-antigène
8.1.2 Détection quantitative d’anti-BSA
8.1.3 Analyse des performances du biocapteur « tout électrostatique »
8.1.3.1 Sensibilité et limite de détection
8.1.3.2 A¢ nité et concentration limite
8.2 Limites du « tout électrostatique » et utilisation de l’a¢ nité avidine-biotine
8.2.1 Dépendance vis-à-vis de la biomolécule sonde
8.2.2 Spéci…cité de la mesure assurée par l’a¢ nité avidine-biotine
8.2.3 Biofonctionnalisation de la multicouche de polyélectrolytes
8.2.4 Détection quantitative d’anti-BSA
8.2.5 Performances du biocapteur « électrostatique-extravidine-biotine »
9 Biocapteur issu d’une fonctionnalisation du substrat de silice faisant intervenir des liaisons covalentes
9.1 Fonctionnalisation covalente du substrat de silice
9.1.1 Préparation du substrat de silice
9.1.1.1 Activation de la silice, silanisation et séchage
9.1.1.2 Préparation et gre¤age de l’amorceur
9.1.2 Polymérisation in situ
9.1.3 Couplage covalent de l’extravidine
9.2 Gre¤age de la protéine sonde et détection d’anticorps
9.2.1 Gre¤age de la protéine sonde
9.2.2 Détection quantitative d’anti-BSA
9.2.3 Performances du biocapteur « covalent-extravidine-biotine »
9.2.4 Comparaison des biocapteurs « tout électrostatique » ,
« électrostatique-extravidine-biotine » et « covalent-extravidinebiotine »
9.2.5 Mesure expérimentale de la concentration limite
9.3 Limitations, discussion et perspectives
9.3.1 Sensibilité de l’acide polyacrylique vis-à-vis des variations de pH
9.3.2 Choix d’un domaine d’application
9.3.3 Exemple de stratégie adaptée à la détection de très petites molécules : détection par voie indirecte.
10 Conclusion et Perspectives
10.1 Conclusion générale
10.1.1 Développement des biocapteurs à réseaux de Bragg en angle
10.1.2 Détection de biomolécules cibles
10.2 Perspectives de recherches
10.2.1 Etude de nouveaux biorécepteurs et adaptation du mode de détection
10.2.2 Evolution vers l’utilisation de …bre microstructurées
Liste des tableaux
Bibliographie
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