Dispositifs expérimentaux

Cette sous-section est consacrée à la présentation du montage expérimental permet- tant de mesurer simultanément les modes acoustiques longitudinaux et transverses. Il est représenté (figure 3.4).

EOM C P 50/50 Diode PM EDFA OSA RF RF Scope 2 Scope 2 Laser 99/1 90/10 90 10 90/10 10 90 1 99 Scope 1 Bias 50/50 50/50 Source micro−onde

Fibre sous test

100 MHz 2 GHz 8 GHz 8−12 GHz 12 GHz tttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttt | {z } II : "Mode Brillouin" tttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttt | {z }

I : "Modes acoustiques guidés"

Figure 3.4 – Le dispositif expérimental avec deux chemins de détection pour la réflecto-

métrie Brillouin.

Ce dispositif est constitué de deux chemins de détection, l’un pour les basses fré- quences et l’autre pour les hautes. Ils sont baptisés respectivement "modes acoustiques guidés" et "mode Brillouin".

La diode laser (DFB) est la même que celle utilisée pour les mesures au chapitre 2. Le signal qu’elle émet, est divisé en deux signaux au moyen d’un coupleur optique. Une partie du signal est injectée dans le modulateur électro-optique tandis que l’autre partie sert d’oscillateur local pour l’hétérodynage avec le signal optique retour. Après l’hété- rodynage, le signal est séparé optiquement en deux fractions pour les deux chemins de détection. L’avantage de cette séparation optique est que l’on évite les problèmes d’adap- tation d’impédance liés à une séparation en micro-onde. La puissance du signal utile est également plus élevée.

Dans la suite, nous détaillons le dispositif expérimental.

3.2.2.1 Réglage du modulateur électro-optique

Le réglage du modulateur électro-optique se fait en choisissant correctement les signaux envoyés sur ses entrées radiofréquence (RF) et continue (Bias). Nous utilisons deux générateurs de fonctions à basses fréquences pour générer ces signaux de réglage. Les pertes par retour (return loss) du modulateur sont de 55,4 dB à λ = 1550 nm, mesure effectuée sans aucun signal sur ses ports RF et Bias. Sa perte d’insertion mesurée est environ de 4,7 dB.

Sur le port RF, un signal électrique de forme rectangulaire est envoyé à une fréquence de 1 kHz, ce qui correspond à une longueur maximale de fibre pouvant être sondée, de 100 km. La tension crête à crête Vcc du signal électrique est de 8 Volts. Les durées d’im-

pulsions choisies sont comprises entre 10 ns et 200 ns, ce qui correspond à une résolution spatiale comprise entre 1 m et 20 m. A chaque changement du type de signal RF (forme, fréquence, durée d’impulsion), un nouveau réglage du modulateur est nécessaire. Pour un

fonctionnement en mode continu, il ne faut pas alimenter son entrée RF.

Par un bon réglage du modulateur, des impulsions de bonne coupure sont obtenues c’est-à-dire que le signal en sortie du modulateur a une puissance quasi nulle au zéro de l’impulsion. Au même moment, une bonne dynamique est nécessaire pour améliorer le rapport signal sur bruit.

A titre d’exemple, des mesures réparties sur la température et les contraintes ont été réalisées avec une dynamique de 27 dB [40].

3.2.2.2 Préparation du signal avant la fibre testée

Afin d’optimiser les caractéristiques du signal impulsionnel en sortie du modula- teur, nous le divisons au moyen des coupleurs 90/10 et 50/50 (figure 3.4). Une partie du signal est observée à l’oscilloscope et l’autre est envoyée au mesureur de puissance (PM) ; ce qui nous permet d’estimer la puissance moyenne du signal impulsionnel en sor- tie du modulateur. L’utilisation du contrôleur de polarisation (PC) juste avant l’entrée de l’amplificateur optique (EDFA), permet de choisir l’état de polarisation du signal qui maximise son amplification. L’EDFA amplifie suffisamment l’impulsion pour que celle-ci puisse induire l’effet Brillouin dans la fibre testée.

Le circulateur placé en sortie de l’EDFA collecte le signal Brillouin rétrodiffusé. Nous contrôlons les caractéristiques du signal prêt à être injecté dans la fibre, en prélevant 1% de celui-ci. Il sert également à déclencher l’oscilloscope (Scope 2), oscilloscope qui est piloté par un ordinateur (figure 3.4) sur lequel se fait le traitement des données.

3.2.2.3 Le signal rétrodiffusé

Le signal rétrodiffusé, quant à lui, est mélangé dans un coupleur optique (50/50) avec 10% du signal de la diode laser puis divisé en deux signaux. Lorsque l’on travaille en mode continu, l’analyseur de spectre optique (OSA) permet d’observer la présence et les fréquences des différentes ondes optiques. Ainsi, observons-nous trois ondes optiques à l’OSA : l’onde incidente à la fréquence fo, l’onde anti-Stokes Brillouin à la fréquence

fo + fB et l’onde Stokes Brillouin à la fréquence fo − fB. C’est cette dernière qui nous

intéresse le plus. Rappelons que fB est de l’ordre de 10 GHz pour les fibres utilisées.

La seconde partie du signal mélangé, est envoyée dans un coupleur optique (50/50). Le but poursuivi en scindant le signal optique en deux parties est de rechercher simultané- ment les modes acoustiques transverses dont les fréquences sont comprises entre 200 MHz et 2 GHz et le mode fondamental Brillouin à environ 10 GHz.

Comme la fréquence du mode fondamental Brillouin est de l’ordre de 10 GHz, un filtre passe-haut de fréquence de coupure égale à 8,4 GHz est utilisé afin de s’affranchir des fréquences plus basses et sert à supprimer les harmoniques contenus dans le signal rétrodiffusé. Ensuite, la source micro-onde, un synthétiseur, est réglée à une fréquence

fLO légèrement différente de la fréquence Brillouin fB. Il permet de générer des ondes de

fréquence type micro-onde (GHz) qui sont utilisées lors de l’hétérodynage. L’hétérodynage est réalisé par le mélangeur micro-onde dans lequel interagissent le signal filtré à 8,4 GHz et celui généré par le synthétiseur (figure 3.5).

La fréquence Brillouin est déduite de la fréquence de battement mesurée (fB = fLO±

Une seconde mesure avec une autre valeur fLO est nécessaire pour calculer la vraie valeur de fB. Fréquence du synthétiseur |fB− fLO| Fréquence électrique fLO Fréquence optique fB fB fbat fO fO− fB

Figure 3.5 – Le schéma de l’hétérodynage au niveau de la branche "Mode Brillouin" de

la figure 3.4. fo : la fréquence de l’onde incidente ; fB : la fréquence de décalage Brillouin ;

fLO : la fréquence du synthétiseur (source micro-onde) et fbat la fréquence de battement.

Comme nous n’avions pas un synthétiseur, et dans le but de disposer d’une source micro-onde de fréquence de l’ordre de 10 GHz, nous avons monté une source micro-onde de 5,2 GHz (figure 3.6) qui a été ensuite doublée puis amplifiée grâce à l’amplificateur micro-onde (Low Power Amplifier : LPA) qui amplifie le signal dans la bande de 100 MHz à 10 GHz.

12 V O V

Sortie

Doubleur Filtre Amplificateur

SRF Analyseur de spectre Source micro−onde FDR VHF LPA PLL Entrée

Figure 3.6 – Montage d’une source micro-onde de 10,4 GHz (PLL : Phase Locked Os-

cillator - FDR : Frequency Doubler - VHF : Very High Frequency - LPA : Low Power Amplifier - SRF : Spectrum Radio Frequency analyser).

Le filtre passe-haut de fréquence de coupure 8,4 GHz permet de s’affranchir du mode à 5,2 GHz. La source ainsi fabriquée est une source micro-onde à 10,4 GHz.

Voici la mesure de ce signal micro-onde avant doublage (figure 3.7) qui a une puis- sance de 12 dBm et une dynamique de 65 dB. Après le doublage de la fréquence (figure 3.8), la dynamique est restée inchangée même si la puissance a baissé de 15 dBm environ.

5196 5198 5200 5202 5204 5206 −60 −40 −20 0 10 20 Fréquence (MHz) Puissance (dBm) 65 dB

Figure 3.7 – Signal micro-onde

avant doublage avec une puissance de 12 dBm et une dynamique de 65 dB. La bande passante de l’ana- lyseur de spectre est de 1 MHz.

10350 10370 10390 10410 10430 10450 −70 −60 −50 −40 −30 −20 −10 0 Fréquence (MHz) Puissance (dBm) 65 dB

Figure 3.8 – Signal micro-onde après dou-

blage. La dynamique est toujours de 65 dB et les pertes dues au doublage de fréquence s’élèvent à 15 dB. La bande passante de l’analyseur de spectre est de 1 MHz.

La figure 3.9 représente le signal obtenu après amplification. Avec une puissance de 5 dBm, il est suffisant pour l’hétérodynage.

La bande passante de l’analyseur de spectre micro-onde est de 1 MHz.

Finalement, le signal obtenu après hétérodynage, traverse un filtre passe-bas de fré- quence de coupure 2,4 GHz avant d’être amplifié afin de ne pas saturer les amplificateurs. La qualité d’une expérience étant liée au rapport signal sur bruit dans le montage expérimental, il faut donc en minimiser les pertes dues au bruit. L’analyse des sources de bruit présentes dans notre montage, montre que l’ajout de la photodiode au niveau de la détection apporte un bruit supplémentaire d’environ 6 dB à celui du SRF. Ce bruit est plus faible à 10 GHz qu’à 1 GHz.

Quant à la source micro-onde fabriquée, elle ajoute une puissance de bruit de 0,6 dB à 10 GHz et 1,2 dB à 1 GHz.

Nous avons ainsi démontré qu’une alternative fiable peut être trouvée au synthé- tiseur classique optimisé pour générer des sources micro-ondes, si l’on n’en possède pas. Comme nous en avons acquis un, nous avons abandonné la source fabriquée au profit du synthétiseur. Ainsi, tous les résultats présentés dans la suite de ce travail, ont-ils été ob- tenus en utilisant le synthétiseur à la place de la source micro-onde que nous avons montée. En outre, le signal optique obtenu en prélevant 10% du signal du laser (figure 3.4), permet de tester le montage. En effet, si en coupant les 10% du signal du laser, un signal est toujours observé à l’oscilloscope, il s’agira donc du bruit.

Pour des mesures de réflectométrie, le signal mesuré à l’oscilloscope doit ensuite être démodulé afin de tracer le spectre en fonction de la position le long de la fibre. Nous désignons par "analyse de données" les différentes étapes de la démodulation.

10390

10392

10394

10396

10398

−60

−40

−20

−10

0

10

Fréquence (MHz)

Puissance (dBm)

Figure 3.9 – Signal micro-onde après amplification avec une puissance suffisante de

5 dBm. La bande passante de l’analyseur de spectre est de 1 MHz.