Analyse du vieillissement basée sur la réflectivité et la résonance de Bragg

Lors du vieillissement d’un capteur, deux grandeurs nous intéressent particulièrement :

- La dérive de la longueur d’onde de Bragg du réseau, qui influe directement sur l’erreur de mesure. Cette dérive peut éventuellement être compensée par un ré-étalonnage régulier ce qui nécessite une maintenance, ou bien prédite par un modèle de vieillissement.

- La durée de vie, associée à la chute éventuelle de la réflectivité, et donc la diminution du rapport signal sur bruit, jusqu’à la perte de la possibilité d’exploitation du capteur.

De manière pratique, toute dérive de la longueur d’onde de Bragg induit une erreur de mesure et toute diminution de la réflectivité, quant à elle, induit une baisse du rapport signal sur bruit et par conséquence une dégradation du pouvoir de résolution de la mesure.

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λBragg R

Figure 16 : Suivi de la réflectivité et de la dérive du pic de Bragg de chacun des réseaux

Figure 17 : Zoom de l’évolution de la réflectivité sur les 300 premières heures du vieillissement

a) Dérive en longueur d’onde des réseaux de Bragg régénérés

Lors du vieillissement des réseaux, on distingue 3 phases de dérive d’après l’évolution de la résonance de Bragg de chacun des réseaux:

- La première phase correspond probablement à un régime de « déverminage » qui pourrait être associé à une transition de phase incomplète durant la régénération ou des modifications de réseaux chimiques.

- La deuxième phase correspond à une dérive en cloche.

- La troisième phase débute avec une rupture brusque de la dérive en cloche de la deuxième phase.

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Les deux premières phases ont été observées sur les 4 réseaux régénérés, la dernière phase n’a été observée que sur les réseaux 3 et 4.

La première phase se déroule sur une période de temps très courte, environ 50 heures. Cette durée dépend fortement de la température et diminue à mesure que la température augmente. Nous pensons donc qu’il est possible de faire disparaitre cette première phase en adaptant le protocole de régénération, en l’occurrence en rallongeant la durée du palier à la température de régénération proprement dite et en acceptant un effacement partiel du réseau à cette étape.

Dans la seconde phase, la longueur d’onde de Bragg (λB) dérive vers les hautes

longueurs d’ondes sur une amplitude allant de 250 pm à 800 pm (soit de 15°C à 50 °C en température équivalente) suivant les réseaux, et sur une durée allant de 400 h à 4000 h. Après avoir atteint un maximum, λB dérive vers les basses longueurs d’ondes sur des amplitudes

allant de 1,1 nm à plus de 1,5 nm (soit de 70 °C à 90 °C en température équivalente) sur une durée allant de 1600 h à plus de 6000 h.

Une expérience similaire a été menée cette fois sur des fibres SMF-28e. Les fibres ont été hydrogénées et régénérées dans les mêmes conditions. Après régénération, elles ont été placées en vieillissement à 850 °C pendant 1600 h.

Il est intéressant de constater que toutes les courbes de dérive en longueur d’onde des réseaux régénérés testés en vieillissement conservent la même allure, y compris des réseaux inscrits sur des fibres SMF-28e. Il semble envisageable de déterminer un modèle prédictif de la dérive des réseaux sur cette phase en fonction de la température d’utilisation. Cependant, d’autres études devront être menées sur des vieillissements à différentes températures pour permettre de proposer un modèle fiable.

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Figure 18 : Vieillissement de trois réseaux régénérés inscrits dans une fibre SMF-28e à 850 °C durant 1600 H

La troisième phase n’a été observée que pour les réseaux les plus hauts en température (les réseaux 3 et 4 respectivement à 890 °C et 850°C). Cette phase ne survient que très tardivement dans le vieillissement des réseaux. Elle intervient après 3600 h et 7000 h pour les réseaux 3 et 4.

Le changement de viscosité de la silice aux hautes températures peut être la cause de la dérive en longueur d’onde durant le vieillissement des réseaux. L. Y. Shao et al. ont établi un modèle de la dérive en longueur d’onde des réseaux de Bragg en fonction de la viscosité de la silice à différentes températures de recuit [23]. Durant cette expérience, ils ont lesté une fibre optique avec un poids de 3 g et ont observé des dérives atteignant plus de 50 nm en quelques minutes à une température de recuit de 1150 °C. Durant notre expérimentation, les fibres n’étaient bien évidemment pas lestées par un poids, mais par leurs propres masses dues à la position verticale des fours de recuit. La traction bien qu’infiniment plus faible peut avoir un effet sur les longues durées de recuit lors de l’expérience de vieillissement.

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Figure 19 : Evolution de la longueur d’onde de Bragg de réseaux régénérés lestés par une masse de 3 g à différentes températures de recuit entre 1000 °C et 1150 °C, d’après [23].

Bien que l’allure des courbes du vieillissement soit identique d’un réseau à l’autre, la compétition entre les différentes causes du vieillissement des réseaux de Bragg (diffusion des dopants, réactions chimiques entre les constituants, oxydation, rupture de liaison, changement de viscosité…) complexifient l’établissement d’une loi de vieillissement. Le vieillissement de différents réseaux régénérés inscrits dans différentes fibres montre au cours des expériences menées tout au long de mon travail de thèse une répétabilité du comportement de vieillissement.

b) Durée de vie des réseaux de Bragg régénérés

Si la variation de la réflectivité des réseaux régénérés n’est pas monotone, l’évolution la plus importante se déroule durant la première phase décrite ci-dessus. La réflectivité des réseaux accuse une forte diminution pouvant aller jusqu’à 40 % de la réflectivité initiale. Par la suite, la valeur de la réflectivité reste globalement constante sur les 9000 h suivantes (à ± 10 %). Les modèles de vieillissement des réseaux de Bragg classiques ne s’appliquent pas dans ce cas, en particulier le modèle de la « master curve » tel que décrit par Bertrand Poumellec [24, 25] amenant en l’occurrence à prédire une durée de vie infinie, puisque le réseau ne s’efface plus, ce qui n’a pas de sens physique. Il n’est pas possible actuellement de déterminer une valeur finie de la durée de vie des réseaux régénérés.

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