Chapitre I: Les capteurs à fibres optiques
I.2 Différents types de capteurs à fibres optiques
I.2.5 Principes des capteurs répartis Raman et Brillouin
Cette classe de capteurs présente la particularité d’utiliser comme élément sensible la fibre optique elle-même, et peut de ce fait jouer le rôle d’un capteur sensible donnant un profil continu de température ou de contraintes le long de son parcours. Il est l’équivalent d’un nombre important de points de mesure élémentaires, et dont la résolution va dépendre de la technique d’interrogation [Lecoy 2016][Ferdinand 2008]. Ils sont basés sur les phénomènes de diffusion (Scattering) Raman, et Brillouin dus aux interactions Photon-Phonon, c'est-à-dire aux échanges d’énergie entre une onde lumineuse, et les vibrations acoustiques du matériau.
I.2.5.1 La réflectométrie sur fibre optique OTDR
La réflectométrie sur fibre optique OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) est une technique utilisée dans le domaine des télécommunications qui permet d’accéder non seulement au profil d’atténuation, mais aussi à détecter tous les types de défauts le long des liaisons. La technique de la réflectométrie temporelle consiste à injecter dans une fibre optique des impulsions brèves de forte puissance issues d’une diode laser pulsée, puis de mesurer la variation temporelle du signal rétrodiffusé. Ce dernier comporte les fluctuations d’indice du cœur de la fibre optique (Diffusion de Rayleigh), ainsi que les réflexions de type Fresnel dues aux discontinuités locales comme les défauts, épissures, ou connecteurs. L’analyse temporelle de la puissance lumineuse rétrodiffusée élastiquement permet d’accéder ainsi au profil d’atténuation, et des défauts. Le phénomène de diffusion Rayleigh est considéré comme un phénomène élastique, c'est-à-dire qu’il ne s’accompagne d’aucun échange d’énergie entre les photons incidents, et les molécules de silice. Ainsi, les photons incidents, et diffusés auront la même longueur d’onde. La puissance rétrodiffusée de type Raleigh après un temps t est de la forme suivante [Ferdinand 2008] :
𝑃𝑅(𝑡) = 1
2𝑃0 . 𝜏. 𝑉𝐺. 𝛼𝑑. 𝐵. exp [ −𝛼(𝑡). 𝑉𝐺. 𝑡]
(I.1) Avec :
𝑃0 Puissance incidente
𝜏 Durée de l’impulsion incidente
𝑉𝐺 Vitesse de groupe des ondes dans la fibre
𝛼𝑑 Atténuation de la silice de l’ordre de 10−3 pour les fibres monomodes.
𝐵 Fraction de la puissance rétrodiffusée par rapport à la puissance incidente, de l’ordre de 10−3 pour les fibres monomodes.
𝛼 Somme de l’atténuation 𝛼𝑑, et de l’absorption 𝛼𝑎
Les réflectomètres commerciaux affichent le signal rétrodiffusé en coordonnés semi-log, de telle sorte que la trace OTDR est une droite comme cela est visualisé sur la figure (I.8). Un changement d’unité permet de visualiser la pente 𝛼 qui correspond à l’atténuation en dB/unité de longueur de la fibre optique sous test. La figure (I.9) est l’instrument de mesure OTDR.
Figure (I. 8) : Principe de fonctionnement d’un appareil OTDR
Figure (I. 9) : Instrument de mesure OTDR
La résolution (capacité à résoudre deux défauts voisins) est fixée par la durée des impulsions incidentes, ainsi que par la bande passante du détecteur. Pratiquement une impulsion de l’ordre de 10 ns, et avec une bande passante électronique de 100 MHz permet d’obtenir une résolution de 1m. Par contre, une impulsion de 1 µs donne une résolution de 1m [Ferdinand 2008].
I.2.5.2 La réflectométrie Raman
Dans le paragraphe précédent on a présenté la technique de l’OTDR basée sur la puissance lumineuse rétrodiffusée de type Raleigh à la longueur d’onde d’excitation 𝜆0. Le spectre de rétro- diffusion comme le montre la figure (I.10) se décompose en trois parties :
- La rétro- diffusion Rayleigh - La rétro- diffusion Raman - La rétro- diffusion Brillouin
Les rétro- diffusions Raman, et Brillouin sont la conséquence d’effets non-linéaires qui font apparaitre des longueurs d’ondes différentes. Comme cela est illustré sur la figure (I.10), lorsque les ondes ont des fréquences moins élevées (i.e longueurs d’ondes plus élevées) que l’onde incidente, on parlera d’ondes de Stokes, et dans le cas contraire d’ondes anti- Stokes. La réflectométrie Raman s’intéresse au décalage fréquentiel par diffusion inélastique. Ce mécanisme conduit à générer deux fréquences (ou deux longueurs d’onde) qui sont disposées symétriquement par rapport à la fréquence d’excitation ou de pompe 𝜈0 et appelées respectivement raie Stokes (𝜈𝑆 = 𝜈0 − 𝜈𝐵 ), et anti-Stokes ( 𝜈𝐴𝑆 = 𝜈0+ 𝜈𝐵), et où 𝜈𝐵 désigne la fréquence de vibration caractéristique du milieu qui dans notre cas est la silice. Dans l’effet Raman, lorsqu’une onde pompe de fréquence 𝜈0 interagit avec un matériau, certains photons perdent une partie de leur énergie ℎ𝜈0 au profit d’un phonon, particule associée à la vibration de fréquence 𝜈𝐵 qui apparait dans la matière. Ils sont alors diffusés avec une énergie plus faible, c'est-à-dire à une longueur d’onde plus élevée, et qui constitue l’onde de Stokes 𝜈𝑆 = 𝜈0 − 𝜈𝐵 . Le décalage 𝜈𝐵 ne dépend que du matériau, et non de la longueur d’onde d’excitation𝜈0 . Le spectre de l’onde de Stokes est une caractéristique de la composition chimique, ainsi que du caractère ordonné, ou désordonné de la matière. En outre, le rapport 𝑅(𝑇) des intensités optiques diffusées dans les deux régimes Stokes, et anti-Stokes est donné par la relation suivante [Ferdinand 2008] :
𝑅(𝑇) = (𝜆𝑆 𝜆𝐴𝑆) 4 exp (−ℎ𝜈𝐵 𝐾. 𝑇 ) (I.2) Avec : ℎ Constante de Planck 𝐾 Constante de Boltzmann 𝑇 Température
𝜆𝑆 Longueur d’onde de la raie de Stokes 𝜆𝐴𝑆 Longueur d’onde de la raie de anti-Stokes
𝜈𝐵 Décalage fréquentiel de la raie Brillouin (≃ 11 𝐺𝐻𝑧) par à la raie de pompe
Le rapport donné par l’équation ci-dessus n’est fonction que de la température, et des caractéristiques vibrationnelles du milieu. Aussi, le principal intérêt de la technique Raman réside dans son insensibilité aux contraintes mécaniques pouvant être subies par la fibre, et que le rapport 𝑅(𝑇) n’est fonction que de la valeur locale de l’impulsion sonde. Ainsi ce phénomène peut-être mis à profit pour connaitre la température de la fibre optique au point de mesure avec une précision de l’ordre de 0.10C. La localisation du point de mesure peut être déterminée par la technique OTDR basée sur le décalage temporel entre l’impulsion émise et la réponse, et mesurée simultanément aux longueurs d’onde Stokes, et anti-Stokes.