Ces systèmes de mesure analysent le spectre de gain Brillouin sous un régime stimulé mettant en jeu deux ondes contra-propagatives dans la fibre, une onde pompe et une onde sonde. La FigureII.5présente le fonctionnement général d’un système de mesure B-OTDA. Une onde pompe impulsionnelle, de fréquence νp, est injectée à une extrémité de la fibre optique tandis que de l’autre côté est injec-tée une onde sonde continue et de fréquence optique inférieure νs. La fréquence de l’onde sonde est balayée afin de faire varier la différence de fréquence op-tique∆ν=νp−νsentre l’onde sonde et l’onde pompe autour de la fréquence de décalage Brillouin dans la fibre νB. Nous allons décrire les différentes étapes du processus en nous appuyant sur cette figure :
— (a). Deux onde optiques pompe et sonde sont injectées, chacune aux deux extrémités d’une fibre instrumentée dont une portion est sous contrainte ; — (b). Lorsque onde pompe et sonde se recouvrent dans la fibre, un échange
d’énergie apparaît entre les deux. Celui-ci est maximal lorsque la différence de fréquence optique des deux ondes est exactement égale à la fréquence de décalage Brillouin ;
— (c). Lors de l’interaction entre les ondes pompe et sonde au niveau de la zone de fibre contrainte, le couplage n’est plus le même du fait de la varia-tion de la fréquence Brillouin liée à la déformavaria-tion de la fibre. Ici, l’échange d’énergie entre les deux ondes est donc plus faible ;
— (d). On revient à la même configuration que pour l’étape (b) avec un échange d’énergie entre les deux ondes plus important qu’en (c) ;
— (e). Lors du changement de fréquence optique de l’onde signal, les inté-ractions précédentes, soit les étapes (b), (c) et (d), s’inversent et l’échange d’énergie est alors maximal à l’endroit où la fibre est déformée.
Ainsi par un balayage de la fréquence optique, il est possible de reconstituer en tout point de la fibre le spectre d’évolution du gain Brillouin afin d’en déter-miner le décalage exact de la fréquence Brillouin. Pour ce type d’interrogateur, l’analyse se fait sur l’évolution du gain de l’onde sonde en transmission et non en réflexion. Il est à noter que deux types de mesure sont possibles : une mesure par gain lorsque la fréquence optique de l’onde impulsionnelle est supérieure à l’onde continue et une mesure par perte dans le cas inverse. La FigureII.6 sché-matise un montage B-OTDA standard avec une partie optique composée d’un
FIGUREII.5 – Principe de fonctionnement d’un interrogateur B-OTDA [27].
laser continu et de modulateurs électro-optiques permettant de générer d’un côté les impulsions optiques envoyées dans la fibre et de l’autre côté permettant de réaliser le balayage fréquentiel de l’autre onde. Le signal optique est ensuite col-lecté par un système d’acquisition permettant de reconstituer le spectre de gain Brillouin distribué sur toute la fibre mesurée.
FIGURE II.6 – Schéma optoélectronique général d’un interroga-teur B-OTDA d’après [31].
La résolution spatiale des appareils de mesure B-OTDAs est déterminée par la durée de l’impulsion de l’onde pompe. Ainsi, une impulsion de 30 ns entrainera une résolution spatiale de l’ordre de 3 m. Les interrogateurs mesurant la rétrodif-fusion Brillouin dans le domaine temporel sont limités physiquement à une réso-lution spatiale de 1 m qui correspond à une durée d’impulsion de 10 ns, ce qui est
II.A. La diffusion Brillouin dans les fibres optiques
le temps de vie des phonons acoustiques dans la fibre. Dès lors que la durée de l’impulsion injectée dans la fibre est inférieure à 10 ns, on observe une réduction drastique de l’amplitude du pic Brillouin ainsi qu’un élargissement spectral en raison de la convolution entre le spectre de gain Brillouin et le spectre optique de l’impulsion optique d’autant plus large que l’impulsion est courte. La détermina-tion du pic de fréquence Brillouin devient donc plus incertaine.
Certaines évolutions ont été proposées pour accroître la résolution spatiale des équipements B-OTDAs. Une méthode consiste à envoyer deux impulsions de sonde consécutives de durée et d’amplitude différentes et sans temps de délai entre les deux impulsions [51]. La FigureII.7 montre le fonctionnement optique de ce type d’interrogateur, appelé PPP-BOTDA pour "Pulse Pre-Pump BOTDA", qui injecte d’un côté de la fibre un signal faible continu (comme un B-OTDA clas-sique) et de l’autre côté une impulsion optique découpée en deux parties : une de faible amplitude et de longue durée, suivie sans discontinuité d’une autre de forte amplitude et de courte durée. La durée de l’impulsion courte correspond à la résolution spatiale de mesure souhaitée, tandis que la durée de l’impulsion longue doit l’être suffisament pour obtenir un spectre de diffusion Brillouin suffi-sament fin comme le montre la FigureII.8. L’interaction entre l’onde pompe et la première impulsion de sonde, d’une durée bien supérieure au temps de vie des phonons (pour éviter tout élargissement spectral), va par diffusion Brillouin sti-mulée pré-activer les phonons dans la fibre avant que la seconde impulsion sonde (de taille plus petite que le temps de vie des phonons) n’arrive à cette position. Grâce à l’effet de la première impulsion sur les ondes acoustiques de la fibre, l’in-teraction de la deuxième impulsion avec les phonons de la fibre et l’onde pompe injectée à l’autre extrémité de la fibre peut être améliorée, ce qui permet de ré-duire la résolution spatiale tout en gardant une précision de mesure satisfaisante. Cette technique permet de limiter le phénomène d’élargissement spectral dû à des impulsions très courtes (< 10 ns) et permet également de limiter la réduction d’amplitude du pic Brillouin.
FIGURE II.7 – Fonctionnement d’un interrogateur B-OTDA à double impulsions d’après [51].
Certains systèmes commerciaux B-OTDAs utilisent donc ce type de fonction-nement optique pour proposer des résolutions de mesure allant jusqu’à 10 cm [52]. Dans ce cas, cette technique de double impulsions est légèrement modifiée pour améliorer la fiabilité de mesure et son rapport signal sur bruit. Notamment, la première impulsion optique peut être modulée en intensité ou en phase de manière à augmenter le contraste entre les diffusions Brillouin générées par la première et la seconde impulsion [53,51].
FIGUREII.8 – Évolution du spectre de rétrodiffusion Brillouin me-suré par un B-OTDA à double impulsions en fonction de la durée
de première impulsion. [51].