le spectre d’une impulsion optique courte se propageant dans une fibre optique. Les mesures optiques en réflectométrie B-OTDR utilisent des impulsions optiques pour sonder la fibre et sont donc sensibles à ce phénomène qui engendre des limitations sur la puissance injectée dans la fibre par l’interrogateur.
(a) (b)
FIGUREIII.3 – (a) Évolution du spectre Brillouin en fonction de la distance et de la puissance de l’impulsion incidente pour une impulsion gaussienne de 30 ns. (b) Évolution du spectre Brillouin en fonction de la distance et de la forme de celle-ci pour une
im-pulsion de 30 ns et une puissance crête de 222 mW [89]
La FigureIII.3, issue de l’étude de FOALENGet al. [89], montre l’évolution le long de la fibre optique de l’élargissement du spectre de rétrodiffusion Brillouin en fonction de la puissance optique d’une impulsion de 30 ns injectée dans la fibre. Ce graphique montre bien que plus l’impulsion optique est puissante, plus le spectre de gain Brillouin s’élargit durant la propagation. D’après ces résultats, on estime qu’une augmentation de la puissance optique entraîne un élargisse-ment du spectre de diffusion Brillouin pouvant aller jusqu’à 80 MHz de largeur pour une puissance de l’impulsion de 276 mW. Ce qui est plus du double de la largeur initiale. Par ailleurs, le deuxième graphique de cette figure montre l’évo-lution de la largeur spectrale Brillouin suivant une impulsion gaussienne et une
III.A. Limitations en distance de la mesure B-OTDR
impulsion rectangulaire. A puissance égale, la forme de l’impulsion peut égale-ment entraîner un élargisseégale-ment du spectre de plus 20 MHz. Il est dans ce cas préférable d’avoir une impulsion rectangulaire qui limite cet effet.
FIGURE III.4 – Variation de la largeur spectral de diffusion Bril-louin créée par une impulsion optique de 30 ns et de puissance crête 153 mW en fonction de l’inverse de la taille temporelle du
pulse. [89]
La FigureIII.4, montre l’élargissement spectrale en fonction de l’inverse de la taille de l’impulsion optique à deux distances différentes. Ces mesures ont été réa-lisées pour une puissance crête de l’impulsion de 153 mW qui équivaut à environ 22 dBm. Nous observons que la largeur temporelle de l’impulsion optique a éga-lement un impact sur l’effet de SPM et qu’il est préférable de privilégier des im-pulsions de durée longue pour réduire ce phénomène. Cependant dans le cadre de mesures par réflectométrie optique, la largueur temporelle de l’impulsion op-tique correspond à la résolution spatiale de la mesure désirée. Ce paramètre n’est donc pas ajustable. Cette étude menée par FOALENG et al. [89] a été réalisée en étudiant le spectre de gain Brillouin mesuré par un interrogateur B-OTDA. Ces résultats sont cependant transposables à une mesure B-OTDR et nous allons pré-senter des mesures B-OTDR dégradées par ce phénomène non-linéaire.
(a) (b)
FIGUREIII.5 – (a) Spectre Brillouin en début et fin de fibre pour une impulsion de 20 ns à 100 mW de puissance crête. (b) Spectre Brillouin en début et fin de fibre pour une impulsion de 20 ns à 2
W de puissance crête.
Les Figures III.5a et III.5b montrent la mesure du spectre de gain Brillouin réalisée par notre interrogateur sur le premier et dernier point d’une fibre optique de 10 km. Les impulsions optiques utilisées ont une largeur temporelle initiale de 20 ns et des puissances crêtes respectives de 100 mW et 2 W (20 et 33 dBm). La durée d’impulsion choisie est suffisamment faible pour générer de la SPM mais
suffisamment grande pour limiter l’élargissement du spectre de gain Brillouin lié à la convolution entre l’impulsion optique et le spectre naturel de gain Brillouin. Sur la FigureIII.5a, nous n’observons quasi aucune différence entre le spectre de gain Brillouin mesuré en début de fibre et celui mesuré à 10 km de l’interrogateur. Nous notons une forme asymétrique du spectre liée à un second pic Brillouin généré par un mode acoustique d’ordre supérieur [31]. En effet, la fibre de test utilisée pour ces mesures est une SMF28e+ fabriquée par Corning qui présente effectivement plusieurs modes acoustiques d’ordre supérieur [90]. Sur la Figure
III.5b, on observe un élargissement du spectre Brillouin de 150 MHz entre le début de la fibre et 10 km plus loin. L’élargissement du spectre est d’autant plus grand que la puissance de l’impulsion est importante et dans notre cas, cette puissance est presque 10 fois supérieure à celle utilisée dans l’étude de FOALENGet al. [89].
(a) (b)
FIGUREIII.6 – (a) Spectre Brillouin en début et fin de fibre pour une impulsion de 100 ns à 100 mW de puissance crête. (b) Spectre Brillouin en début et fin de fibre pour une impulsion de 100 ns à 2
W de puissance crête.
Les FiguresIII.6aetIII.6breprésentent la même mesure mais cette fois-ci avec une impulsion de 100 ns. On constate tout d’abord que l’augmentation de la taille de l’impulsion, de 20 ns à 100 ns, rend plus visible la contribution des modes acoustiques d’ordre supérieur de cette fibre1. Cela s’explique par une puissance de signal plus élevée et un spectre mesuré plus fin du fait de la convolution entre le spectre Brillouin de la fibre et celui de l’impulsion. Par ailleurs, on note égale-ment un pic à 200 MHz lié à l’apparition de la diffusion Rayleigh sur le spectre comme nous l’avions déjà évoqué en partieII.B.1.e. On observe, entre ces deux figures, un élargissement du spectre de gain Brillouin quasi-nul à mi-hauteur (3 MHz) et un élargissement faible au niveau de la base de la lorentzienne (≈ 20 MHz) lié à la remontée du niveau de bruit par saturation du photodétecteur. Cette saturation est fortement visible à basse fréquence. L’élargissement n’est pas pré-sent sur la partie maximale de la courbe de gain Brillouin et ne perturbe donc pas la mesure fréquentielle du pic Brillouin.
Cette déformation de l’impulsion liée à la SPM est donc responsable d’une incertitude sur la mesure répartie de température qui devient de plus en plus im-portante avec la distance de fibre mesurée. L’élargissement du spectre Brillouin réduit la fiabilité de la régression parabolique réalisée par le système ce qui im-plique une incertitude grandissante sur la mesure en fonction de la distance de la fibre.
Cette erreur est observée sur la FigureIII.7où l’on résout correctement la me-sure de la fréquence Brillouin lorsque l’impulsion optique est de 100 mW crête à l’inverse de la mesure pour une impulsion de 2 W crête où l’erreur de mesure 1. Les modes acoustiques d’ordre supérieur sont détectés contre-intuitivement à des fréquences inférieures ce qui est lié au processus d’acquisition spécifique de notre interrogateur
III.A. Limitations en distance de la mesure B-OTDR
FIGUREIII.7 – Mesure distribuée de la fréquence de rétrodiffusion Brillouin pour un impulsion de 20 ns à une puissance crête de 100 mW (courbe rouge). Mesure distribuée de la fréquence de rétrodif-fusion Brillouin pour un impulsion de 20 ns à une puissance crête
de 2 W (courbe bleue).
de la fréquence est de presque±50 MHz. Cette erreur de mesure est causée par l’apparition progressive de deux pics au niveau du spectre, que nous observons en FigureIII.8, et qui perturbent la régression parabolique réalisée.
La FigureIII.9présente une comparaison des performances de mesure lorsque le phénomène de SPM est présent et lorsqu’il ne l’est pas. La courbe rouge est réalisée à une puissance d’impulsion de 2 W, et l’on observe une dégradation forte de la répétabilité à partir de 5 km2. En comparaison, la courbe bleue réalisée à une puissance d’impulsion de 100 mW ne passe pas au dessus de 1 °C.
FIGURE III.8 – Évolution de l’effet d’auto-modulation de phase sur le spectre Brillouin mesuré en fonction de la distance de fibre optique pour un impulsion de 20 ns à une puissance crête de 2 W
2. Sur la FigureIII.9, la forme de la courbe de répétabilité rouge présente une forme spécifique lié à l’évo-lution du spectre de gain Brillouin observé en FigureIII.8. A partir d’une distance de 5 km les effets de SPM apparaissent dans la fibre optique créant la forme d’un double pic sur le spectre mesuré. Ainsi, la détermina-tion de la fréquence du pic Brillouin suivant l’algorithme défini plus tôt devient de plus en plus incertaine. L’amélioration de la répétabilité entre 6 et 8 km provient de l’élargissement croissant du spectre qui entraîne une meilleure distinction des deux pics présents sur le spectre. La nouvel dégradation de la répétabilité à partir de 8 km s’explique, comme pour une mesure sans SPM, par la dégradation du signal lié aux pertes optiques linéaires dans la fibre.
FIGUREIII.9 – Impact de l’auto-modulation de phase sur la me-sure de répétabilité de l’interrogateur B-OTDR sur une fibre de 10 km avec des impulsions de 20 ns. En rouge l’impulsion optique à
une puissance de 2 W et en bleu à 100 mW
III.A.3.b Impact du seuil de diffusion stimulée sur la mesure B-OTDR