2.2 Description et fabrication des FBG
2.2.4 Fabrication des FBG
2.2.4.1 Description des différentes méthodes de fabrication
Trois méthodes principales sont employées : le procédé holographique transverse de [Meltz 89], le procédé par masque de phase et la gravure point par point.
Historiquement, le premier procédé qui a produit un FBG sur une fibre optique diffère de ceux que nous venons de citer. Il s’agit de celui de Hill et al. [Hill 97] qui auraient “accidentellement” formé un FBG en injectant dans la fibre des ondes stationnaires. Ces ondes stationnaires ont provoqué une gravure permanente. La méthode, bien qu’intéressante sur le plan scientifique n’a pas été très utilisée par la suite. La raison est que la variation de l’indice de réfraction était, d’une part, très faible et, d’autre part, le réseau est étalé le long de toute la fibre.
La première méthode de fabrication efficace, celle duprocédé holographique transverse, a été proposée par Meltz et al. [Meltz 89]. Celle-ci utilise des miroirs orientés vers la zone à graver et une source UV excimer (à 244 nm et à 20 mW de puissance) induisant des interférences localisées sur une longueur d’environ 5 mm.
Les procédés d’inscription basés sur le prisme ou sur le miroir de Lloyd dérivent du procédé de Meltz et al. [Meltz 89]. La distinction provient du fait que ceux basés sur les miroirs admettent des interférences par un dédoublement de front d’ondes contrairement au procédé de Meltz qui est à dédoublement d’amplitudes. Ce procédé est peu courant, mais il présente des atouts importants :
– il est possible en tournant l’angle du prisme de graver un réseau avec le pas désiré), – les réseaux obtenus sont apodisés : les spectres ne présentent pas les pieds latéraux,
– pas de translation de laser ou de fibre optique, une fois l’alignement optique réglé (plutôt difficile), – les réseaux sont de bonne qualité (l’uniformité du réseau induit un spectre bien équilibré) Une étude [Gadonna 03] peut compléter cette description du banc d’inscription de Lloyd.
Lors de cette étude, certains FBG ont été gravés avec le montage de Lloyd (figure 2.7). Le mon- tage présente un laser COHERENT à Argon de 0.12 Watt dans la gamme UV laser (240 nm). La procédure d’alignement optique nécessite un ajustement minutieux, le montage optique est réalisé sur un plan placé sur coussin d’air. Deux lentilles consécutives (une lentille convergente et une divergente
CHAPITRE 2. PHYSIQUE DES RÉSEAUX DE BRAGG ET PRINCIPE DE MESURE DU CAPTEUR
Fig. 2.7 – Banc d’inscription à miroir de Lloyd (Laboratoire Hubert Curien)
cylindrique) permettent d’avoir un faisceau expansé. Une partie du faisceau est rasante avec la sur- face du miroir et se projette directement sur la fibre optique. L’autre partie du faisceau se réfléchit sur le miroir, et se projette ensuite sur la fibre optique, en rejoignant le premier faisceau. Ainsi il se forme une région d’interférence au niveau de la fibre optique. Le pas d’interférence dépend de l’angle d’inclinaison du miroir, λf bg = nf oλuv nuvsin(θ/2) 2.5 Dans la relation2.5 , λ f bg est la longueur d’onde du FBG qui sera gravé, nf o est l’indice de coeur
de la fibre optique, λuv la longueur d’onde du laser, nuvl’indice du milieu où passe le faisceau UV (ici
l’air) et θ l’angle entre la face du miroir de Lloyd et le faisceau incident.
La longueur du réseau gravé correspond à la moitié de la taille du spot lumineux d’UV, dans notre cas, 4 mm. La distribution lumineuse du spot étant de forme gaussienne, au niveau spectral il est observé des réseaux apodisés. Ceux-ci présentent un profil d’indice de réfraction uniforme sur la période mais gaussien sur l’amplitude. L’opération d’inscription dure plusieurs minutes (moins d’une heure généralement). Il est possible de faire varier la profondeur du pic, et donc l’amplitude de modulation de l’indice de réfraction, en paramétrant le temps d’exposition ou la puissance du Laser.
La seconde méthode, la plus courante, est le procédé dit par“du masque de phase” proposé par [Hill 97] et également décrit récemment par [Prakash 06]. Un masque de phase est une lame de verre sur lequel est inscrit un réseau de diffraction de même période que le FBG inscrit. L’enregistrement du FBG dans une fibre optique s’opère par l’interférence des deux ordres de diffraction générés par l’illumination du masque de phase avec un faisceau laser UV (figure 2.8). La possibilité de réaliser des franges dans les masques avec des pas à la guise de l’utilisateur confère un avantage sur les autres méthodes. En effet, il est alors possible de faire des réseaux aux profils plus complexes (réseaux biaisés, par exemple, en inclinant le masque). Une lentille peut être placée à la sortie des franges provenant du masque afin de paramétrer la période du réseau gravé. On évalue la qualité d’un réseau à l’amplitude de la variation de l’indice de réfraction dans le profil longitudinal. Avec cette technique, l’amplitude de modulation est de l’ordre de 2.10−4. Un dispositif de ce type existe au laboratoire Hubert Curien
2.2. DESCRIPTION ET FABRICATION DES FBG
de l’université de Saint-Étienne. Il est composé d’une platine de translation à vitesse variable. Cette platine fait translater le masque devant le faisceau incident d’UV sur toute sa longueur. Les masques de phase courants ont une longueur de 20 à 28 mm. Mais des fabricants, comme la société INO au Canada, proposent des masques pour FBG de 150 mm. La longueur maximale du FBG inscriptible dépend de la taille du masque.
Fig. 2.8 – Banc d’inscription par masque de phase [Prakash 06]
La technique a beaucoup évolué depuis 1993. Aujourd’hui, graver des FBG est devenu une procé- dure de routine. Il est devenu plus aisé d’obtenir des pics de réflexion présentant des taux de réflexion proche de 100%.
Une troisième technique de gravure des réseaux est relatée dans [Vacher 04] : il s’agit du procédé point par point. Le laser UV est injecté au travers d’une fente unique, jouant le rôle de diaphragme, puis le faisceau passe au travers d’une lentille convergente, et intercepte perpendiculairement la fibre optique sur une surface d’environ 1.5mm2. La fibre fixée sur une platine de translation est donc soumise à ce faisceau lumineux. Progressivement, le long de la course de la platine, elle est illuminée ou non par le faisceau d’UV. Ceci confère une flexibilité d’emploi supérieure aux deux précédentes techniques : il est possible de réaliser toutes sortes de réseaux ; par exemple, des réseaux à longues périodes puisque le pas de gravure, peut varier du micromètre à la dizaine de millimètres. Les inconvénients de cette technique sont la durée du processus d’inscription et sa sensibilité à l’environnement. Nous n’avons pas réalisé de réseau avec cette méthode.
2.2.4.2 Application : suivi de fabrication d’un réseau
La figure 2.9 montre la création d’un FBG que nous avons réalisé à l’aide du montage de Lloyd. Le spectre de Bragg en transmission est acquis toutes les minutes au cours du procédé d’inscription. Nous observons qu’il devient de plus en plus profond avec le temps d’exposition. Dans le cas présenté, une quinzaine de minutes a été nécessaire. Mais, en fonction de la puissance du spot qui se projette effectivement sur le tronçon de fibre, ce temps peut varier entre 5 et 30 minutes. Les spectres présen- tés ne sont pas parfaitement symétriques. C’est un problème d’uniformité des franges d’inscription. L’uniformité est amélioré en intervenant sur la qualité de l’alignement. Il arrive fréquemment que les
CHAPITRE 2. PHYSIQUE DES RÉSEAUX DE BRAGG ET PRINCIPE DE MESURE DU CAPTEUR
spectres présentent cette allure car il est difficile d’aligner idéalement les franges et la fibre.
Fig. 2.9 – Evolution d’un spectre FBG en fonction du temps d’exposition lors de sa gravure Si on reporte la valeur de la réflectivité maximale du pic en fonction du temps, nous observons une courbe comme celle présentée sur la figure 2.10. Cette dernière est extraite des travaux de Lee et al. [Lee 06].
Fig. 2.10 – Loi en puissance de la profondeur du pic au cours de l’exposition aux UV [Lee 06] L’étude de Lee et al. [Lee 06] présente des travaux concernant l’évolution du spectre en fonction de l’exposition. Celle-ci renvoie aux travaux de Patrick et al. [Patrick 93] qui modélisent l’amplitude de modulation variant au cours de l’exposition comme une loi puissance : ∆n = C.tb avec C qui vaut 2, 3.105 et b = 0, 52 pour une insolation avec un laser à 244 nm et un flux lumineux de 18 W/cm2, et une longueur L de réseau de 7 mm. Les valeurs des amplitudes de modulations sont obtenues en ajustant l’évolution de la réflectivité qui s’exprime par
R = tanh2 µ∆nπL λB 2.6 avec µ un coefficient dit de visibilité de frange qui caractérise le contraste entre les franges. L’intérêt de 2.6 est de pouvoir convertir les réflectivités en modulations d’indice optique.
2.2. DESCRIPTION ET FABRICATION DES FBG
2.2.5 Les différents types de FBG