Caractéristiques

1. Les avantages des capteurs à réseaux de Bragg

Les fibres optiques à réseaux de Bragg utilisées dans des applications métrologiques sont des Capteurs à Fibres Optiques (CFO) intrinsèques, la fibre optique joue le rôle de transducteur et assure le transfert de l’information de mesure. Ils présentent ainsi des avantages inhérents aux fibres optiques les rendant compétitifs par rapport aux capteurs classiques et justifiant leurs utilisations dans de nombreux domaines.

De par les dimensions milli- voir micrométriques des fibres optiques, les réseaux de Bragg sont des capteurs très faiblement intrusifs dotés de temps de réponse très faibles. De surcroît, la faible atténuation des fibres optiques (< 0,2 dB/km à 1500 nm) autorise un déport multi kilométrique. Enfin, l’encodage et la transmission de l’information de manière optique leur assure une immunité électromagnétique.

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Toutes ces qualités associées à la grande capacité de multiplexage des réseaux de Bragg, ainsi qu’à leur sensibilité à divers mesurandes (température, pression, déformation), rendent les capteurs à réseaux de Bragg particulièrement efficaces dans les applications de contrôle-surveillance de structures compatibles aux environnements hostiles.

Par ailleurs, les avancées techniques récentes laissent entrevoir une démocratisation des réseaux de Bragg. Ainsi, le développement des sources lasers accordables et l’inscription des réseaux de Bragg directement sur tour de fibrage devraient contribuer à la fois à une baisse des coûts de fabrication des composants et des chaines de mesures, permettant leur déploiement dans les réseaux et objets intelligents qui formeront le quotidien de demain.

2. Sensibilité des capteurs à réseaux de Bragg

a) Les réseaux de Bragg comme transducteurs

Les réseaux de Bragg sont utilisés dans les applications capteurs par l’encodage spectral de l’information (la modification du paramètre mesuré entraine un décalage en longueur d’onde du pic de Bragg).

Au premier ordre, la mesure est indépendante de la puissance optique de la chaine d’acquisition, bien que le spectre de la source ait un impact sur les algorithmes de détection des pics de Bragg.

La longueur d’onde de Bragg est sensible à trois paramètres physiques : la température, la déformation et la pression. La mesure doit prendre en compte ces trois paramètres soit par un conditionnement approprié du transducteur de façon à ne le rendre sensible qu’au paramètre d’intérêt, soit en utilisant une technique de compensation ou de correction vis-à-vis du paramètre perturbateur en cas de sensibilité croisée.

En première approximation, la variation relative de la longueur d’onde de Bragg peut être donnée par la relation suivante :

Δ𝜆𝐵

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Avec 𝜆_𝐵 la longueur d’onde de Bragg, 𝑎 le coefficient de sensibilité thermique, 𝑇 la température, 𝑏 la sensibilité aux contraintes de déformation, ϵ l’allongement relatif de la fibre optique, 𝑐 la sensibilité à la pression et 𝑃 la pression.

Il est bien sûr possible d’être sensible à d’autres mesurandes par l’intermédiaire d’un corps d’épreuve adapté. Par exemple, un accéléromètre optique se compose d’une masse suspendue à une fibre optique à réseaux de Bragg elle-même maintenue en extension par un ressort.

b) La sensibilité thermique

Dans le cadre de la thèse, nous nous intéressons principalement à la sensibilité en température.

Toute variation de la température (𝛥𝑇) se traduit par un décalage de la longueur d’onde de Bragg 𝛥𝜆_𝐵 résultant du couplage de deux phénomènes : la dilatation thermique de la fibre modifiant le pas du réseau (𝛬) ainsi que la variation de l’indice de réfraction de la fibre avec la température correspondant à l’effet thermo-optique. La prise en compte de ces deux phénomènes amène à la relation :

𝑑𝜆_𝐵 𝑑𝑇 = 𝜆𝐵( 1 𝑛𝑐 𝑑𝑛_𝑐 𝑑𝑇 + 1 L 𝑑L 𝑑𝑇) II-2

Avec L la longueur du réseau.

Pour la silice, la valeur du coefficient de dilatation thermique est d’environ 5.10-7

K-1 et le coefficient thermo-optique est d’environ 1.10-5 K-1. La sensibilité thermique du réseau de Bragg est donc proportionnelle à 𝜆_𝐵 et vérifie :

Δ𝜆_𝐵

Δ𝑇 ≈ 7,3. 10−6. 𝜆𝐵 II-3

En pratique, pour des réseaux inscrits à 1550 nm, la sensibilité thermique est d’environ 11,3 pm/°C. Cette relation n’est qu’une approximation au premier ordre et n’est valable que sur de faibles plages de températures proches de l’ambiante. Pour des gammes de températures importantes, il est nécessaire d’effectuer un étalonnage préliminaire permettant

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de prendre en compte l’évolution généralement quadratique de l’indice de réfraction de la silice avec la température [23].

c) La sensibilité aux contraintes axiales

De la même façon que pour la sensibilité en température, la variation de la longueur d’onde de Bragg avec la déformation mécanique peut être définie par la relation suivante :

d𝜆_𝐵 d𝜖 = 𝜆𝐵( 1 𝑛𝑐 𝑑𝑛_𝑐 𝑑𝜖 + 1 L 𝑑L 𝑑𝜖) , 𝑎𝑣𝑒𝑐 d𝜖 = d𝐿 𝐿 = dΛ Λ II-4

Qui peut être simplifiée selon l’expression suivante : Δ𝜆_𝐵 Δ𝜖 = 𝜆𝐵(1 + 1 𝑛_𝑐 𝑑𝑛_𝑐 𝑑𝜖) II-5

Le coefficient photo-élastique d’un cœur de silice est d’environ 0,78 ϵ-1 (en tenant compte des coefficients élasto-optiques p11 et p12 ainsi que du coefficient de Poisson ν du

matériau). La sensibilité du réseau de Bragg vis-à-vis des déformations mécaniques axiales vérifie donc la relation :

Δ𝜆𝐵

Δ𝜖 ≈ 0,78. λB II-6

Dans le cas d’une fibre optique germano-silicate, la sensibilité aux déformations axiales est d’environ 1,17 pm/µϵ pour des réseaux inscrits à 1500 nm.

d) Sensibilité à la pression hydrostatique

Lors d’une variation de pression hydrostatique, en prenant comme modèle l’immersion d’une fibre dans un fluide incompressible, la déformation mécanique de la fibre provoque une modification du pas du réseau ainsi qu’une variation de l’indice optique de la fibre ce qui entraine un décalage en longueur d’onde suivant la relation :

Δ𝜆_𝐵 Δ𝑃 = 𝜆𝐵( 1 𝑛_𝑐 𝑑𝑛_𝑐 𝑑𝑃 + 1 L 𝑑L 𝑑𝑃) II-7

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La valeur du coefficient de pression est de l’ordre de -5.10-6

MPa-1, ce qui donne une valeur de la sensibilité à la pression hydrostatique d’environ -7,5 pm/MPa pour un réseau inscrit dans une fibre dopée germanium à 1500 nm.