5.2.1
La courbe de gain Brillouin
La diffusion Brillouin est une interaction acousto-optique qui est tr`es sensible aux pa- ram`etres intrins`eques et ext´erieurs `a la fibre. Ainsi, ce processus est un excellent candidat pour r´ealiser des capteurs et plus particuli`erement pour les mesures distribu´ees. En effet, il est possible de mesurer par diff´erentes techniques le spectre de gain Brillouin le long de la fibre optique. Dans ces conditions, la fibre optique se transforme en capteur de temp´erature [4] de pression [5] ou de contraintes [6].
A la fin des ann´ees 80, Horiguchi et Tateda [7] ont propos´e une technique fond´ee sur la diffusion Brillouin entre une onde pompe impulsionelle et une onde sonde continue contra-
Chapitre 5. Mesures distribu´ees du spectre de gain Brillouin
propagative, qu’ils ont nomm´e BOTDA (Brillouin optical time-domain analysis). Le profil spatial est reconstitu´e le long de la fibre `a l’aide d’une technique de temps de vol traditionnelle OTDR (Optical time-domain reflectometry) [8], les seules diff´erences venant du fait que la diff´erence entre l’onde pompe et sonde correspond `a la fr´equence Brillouin et que l’onde sonde est amplifi´ee par la diffusion Brillouin [9]. Cette technique donne des r´esultats bien meilleurs que la r´eflectom´etrie classique bas´ee sur la diffusion Rayleigh dont l’efficacit´e est moindre d’environ deux/trois ordres de grandeurs. Les deux sources de pompe et de test sont des sources diff´erentes qu’il est tr`es difficile de stabiliser pour maintenir un ´ecart en fr´equence fixe. Il faut attendre les travaux de Marc Nikl´es `a la fin des ann´ees 90 pour voir apparaˆıtre une technique originale pour simplifier cette m´ethode [10]. En effet, la technique fait intervenir une seule et mˆeme onde laser qui sert `a la fois de pompe et de signal grˆace `a un modulateur ´electro-optique (EOM, Electro Optique Modulator ) qui convertit une partie de la pompe en une onde optique d´ecal´ee de la fr´equence Brillouin [11]. Cette configuration conf`ere au syst`eme meilleures stabilit´e et sensibilit´e que les syst`emes utilisant deux ondes lasers. La d´erive lente de la fr´equence d’´emission du laser est ainsi compens´ee et la r´esolution en fr´equence ne d´epend que de celle du g´en´erateur micro-ondes qui est de l’ordre de 1 KHz dans notre cas. La d´ependance du gain Brillouin aux param`etres ext´erieurs comme la temp´erature ou les contraintes m´ecaniques, permet aux mesures par la technique BOTDA d’ˆetre parfaitement adapt´ees aux capteurs distribu´es [12–14]. Nous pr´esentons ci-dessous plus en d´etail la m´ethode de mesure.
5.2.2
Dispositif exp´erimental
Laser DFB λP=1557 nm EDFA EOM Isolateur Oscilloscope + PhD PCF νB = décalage Brillouin νp −νB +νB SOA τ P = durée de l’impulsion pompe Isolateur Réseau de Bragg Impulsion pompe Onde test continue x x
Fig. 5.1Montage de principe de la mesure distribu´ee de la courbe de gain Brillouin.
La figure 5.1 repr´esente le sch´ema de principe de la mesure distribu´ee de la courbe de gain Brillouin [15]. L’id´ee principale est de faire interagir par amplification Brillouin un signal continu avec une impulsion pompe contra-propagative (figure 5.2). On mesure ainsi l’intensit´e du signal transmis en fonction du d´ecalage fr´equentiel avec la pompe. La position
5.2. Principe de fonctionnement
du signal dans la fibre est localis´ee par une analyse temporelle. Dans notre montage, la pompe et le signal sont tous deux issus de la mˆeme source laser qui est une source DFB ´emettant `a 1557 nn. Le signal est modul´e par effet ´electro-optique autour de la fr´equence Brillouin et ainsi les deux ondes correspondant aux fr´equences Stokes et anti-Stokes sont inject´ees dans la fibre optique. L’autre partie du faisceau est inject´ee dans un SOA (Semi-conducteur Optical Amplifier) qui est modul´e par un signal ´electrique et g´en`ere des impulsions nanosecondes dont la dur´ee est ajustable. Ces impulsions sont inject´ees dans la fibre `a l’aide d’un circulateur et le signal continu est amplifi´e pendant la dur´ee d’interaction avec l’impulsion lorsque sa fr´equence correspond au d´ecalage Brillouin. Le signal transmis est filtr´e `a l’aide d’un r´eseau de Bragg connect´e `a un circulateur optique qui permet d’isoler soit la composante Stokes (gain) soit la composante anti-Stokes (absorption). L’analyse temporelle, et par cons´equent spatiale du signal transmis est r´ealis´ee au moyen d’une photodiode et d’un oscilloscope.
Fig. 5.2Principe d’une mesure distribu´ee avec une onde pompe puls´ee et une onde sonde continue d’apr`es la th`ese de Da- rio Alasia [16]. Dans des conditions normales sans contraintes (a), le gain Brillouin est constant le long de la fibre. (b), Quand une contrainte est ap- pliqu´ee sur une petite portion de fibre, la fr´equence Brillouin est modifi´ee et le gain Brillouin d´ecroˆıt. (c), Si la diff´erence de fr´equence entre la pompe et la sonde est ´egale `a la fr´equence Brillouin stokes (anti-stokes), alors le signal est amplifi´e (absorb´e) sauf sur la portion soumise `a une contrainte.
Pour chaque fr´equence de modulation comprise dans une fenˆetre spectrale dont la largeur est d´efinie manuellement, nous relevons le gain Brillouin. Pour 300 points de mesure, la dur´ee totale de l’acquisition est en moyenne de 25 min. Ensuite, un traitement num´erique permet d’estimer le centre de la courbe de gain Brillouin ainsi que sa largeur `a mi-hauteur.
5.2.3
La r´esolution
La r´esolution spatiale correspond `a la longueur sur laquelle l’interaction entre l’onde test et l’onde pompe a lieu (figure 5.3). La zone d’interaction Lint est donn´ee par :
Lint = 1
2vg τP (5.1)
o`u τP correspond `a la largeur `a mi-hauteur de l’impulsion pompe et vg la vitesse de groupe de l’onde optique. Pour τP = 100 ns et vg = 2.108 m/s la r´esolution est environ de 10 m. Cependant, selon la dur´ee de l’impulsion pompe choisie, l’information sur le spectre Brillouin sera diff´erente. En effet, une impulsion d’une dur´ee de 10 ns donne une r´esolution spatiale de l’ordre du m`etre et la mesure de la fr´equence Brillouin le long de la fibre est pr´ecise. Cependant, le temps de vie des phonons responsable de la diffusion Brillouin est de l’ordre de 10 ns dans la silice [17]. Par cons´equent, la courbe de gain Brillouin est ´elargie et dans notre cas, nous ne pourrons pas discerner les ´eventuels pics qui constituent le spectre
Chapitre 5. Mesures distribu´ees du spectre de gain Brillouin
pertes linéiques
gain Onde signal
Onde pompe
Onde acoustique 1/τB
τp
Fig. 5.3Repr´esentation sch´ematique de l’interaction entre les ondes pompe, sonde et acoustique. Les r´esolutions spatiales et spectrales sont d´etermin´ee par le ”nombre d’interaction” entre l’onde acoustique et l’onde pompe. Plus la dur´ee de l’impulsion pompe est courte plus la r´esolution spatiale est bonne au d´etriment de la r´esolution spectrale et vice versa.
Brillouin. De ce fait, nous avons fait plusieurs mesures avec des dur´ees d’impulsions pompe diff´erentes. Une impulsion de 100 ns donne une faible r´esolution spatiale de 10 m mais le spectre Brillouin est bien r´esolu, tandis qu’une impulsion d’une dur´ee de 10 ns donnera une tr`es bonne information sur la fr´equence Brillouin le long de la fibre mais une meilleure r´esolution longitudinale. Une dur´ee d’impulsion de 20 ns confirmera les r´esultats obtenus dans les deux autres cas.