La propagation de la lumière dans une fibre optique est régie par les équa-tions de Maxwell définissant les variaéqua-tions spatiales et temporelles d’une onde électromagnétique dans un milieu de propagation donné. Dans une fibre optique réelle, on constate que toute l’énergie lumineuse entrante n’est pas récupérée en sortie. Il y a ainsi une atténuation linéaire du signal durant toute sa propagation qui est causée par deux principaux phénomènes :
— Absorption : Dans une fibre de silice, l’absorption de la lumière par la ma-tière est minimale dans un intervalle de l’ultra-violet jusqu’à l’infrarouge moyen. Un pic d’absorption supplémentaire est présent aux alentours de 1380 nm et correspondant à l’absorption de la lumière par des ions métal-liques OH−pouvant apparaître par réaction chimique dans la fibre [4].
— Diffusion : Les impuretés et les défauts d’interface cœur-gaine vont provo-quer de la diffusion Rayleigh sur les molécules du matériau. Cette diffusion élastique est due à des variations locales de l’indice de réfraction créées par des changements de densité ou de composition apparus au moment de la solidification du matériau. Deux autres types de diffusion peuvent interve-nir que nous présenterons plus en détail dans la partieI.B.2.
Ces effets sont proportionnels à la puissance optique incidente et entraînent l’atténuation de la lumière dans une fibre optique que l’on exprime en dB/km. Cette atténuation est également fonction de la longueur d’onde. En effet, les pertes liées à la diffusion Rayleigh dans une fibre optique varient suivant une loi en 1
λ4 pour atteindre un minimum de perte aux alentours de 1550 nm. Les pertes par absorption sont également dépendantes de la longueur d’onde du signal lumi-neux qui va interagir plus ou moins avec la matière.
On distingue donc 3 bandes spectrales principales de travail représentées sur la Figure I.1. Les bandes les plus utilisées aujourd’hui sont la bande O qui va de 1260 nm à 1360 nm et la bande C allant de 1525 nm à 1565 nm et qui cor-respondent à des minima d’atténuation. Ainsi, un grand nombre d’installations de télécommunications et de capteurs à fibre optique utilisent ces plages de lon-gueurs d’ondes permettant une portée de propagation du signal lumineux maxi-male.
FIGUREI.1 – Courbes d’atténuation de la lumière dans une fibre optique en fonction de la longueur d’onde.
Les pertes optiques sont généralement exprimées sous la forme d’un coeffi-cient d’atténuation α reliant la puissance transmise en sortie de la fibre PT à la puissance initiale d’entrée P0. Les pertes linéaires sont uniformément réparties le long de la fibre, ce qui implique que la puissance transmise est liée à la distance de propagation L et à α.
PT = P0exp(−α L) (I.1)
Dans la littérature ainsi que dans les références constructeur, ce coefficient d’atténuation est, la plupart du temps, donné en échelle logarithmique αdB avec une unité en dB/km. αdB = −10 L log10 PT P0 (I.2)
I.B. Les capteurs de mesure distribuée par fibre optique
Des pertes ponctuelles peuvent également apparaître sur la fibre, liées à plu-sieurs événements :
— Courbures et micro-courbures : Une fibre optique ne peut pas être exemptée de courbures et dans ces zones le risque pour un rayon lumineux de ne plus satisfaire la condition de réflexion totale interne est inévitable. Ce qui se traduit par une perte dans la gaine par simple réfraction.
— Pertes par couplage : Ces pertes apparaissent lorsque l’on souhaite connec-ter deux fibres entre elles, soit par un connecteur optique, soit par une sou-dure. Dans ce cas, plusieurs conditions doivent être respectées entre les deux fibres connectées comme par exemple leur ouverture numérique ou leur diamètre de cœur. Si ces conditions ne sont pas respectées, alors une certaine partie de l’énergie optique sera atténuée.
— Réflexions de Fresnel : Au niveau de l’interface air-verre, correspondant à l’extrémité d’une fibre ou à une liaison de deux fibres par un connecteur, une réflexion du signal optique est causée par le changement d’indice op-tique entre les deux milieux. Une certaine quantité du signal opop-tique est ainsi réfléchie dans le sens opposé à la propagation du signal.
L’addition des pertes linéaires de la fibre avec les pertes ponctuelles constitue l’atténuation totale de la fibre optique qui donne l’information sur la diminution d’un signal optique se propageant d’un point à l’autre de la fibre.
I.B.1.c Les différents types de fibres optiques
Il existe plusieurs géométries de fibres optiques qui présentent des propriétés de propagation de la lumière différentes :
— Les fibres optiques multimodes. Historiquement, les premières fibres opti-ques étaient des fibres optiopti-ques multimodes avec des diamètres de cœurs de l’ordre de 50 ou 62,5 µm et des gaines optiques de 125 µm. Leur géomé-trie est telle que plusieurs modes optiques transverses peuvent se propager à l’intérieur de ces fibres. Cet aspect induit des limitations dans le domaine des télécommunications qui font que ces fibres sont aujourd’hui utilisées majoritairement pour le transfert d’informations sur courtes distances. Les fibres optiques multimodes présentent un grand intérêt pour les applica-tions capteurs distribués. Comme nous le verrons, certaines mesures par fibre optique ont un intérêt à transporter une grande quantité de puissance de manière à gagner en sensibilité de mesure. La distribution de puissance optique dans une fibre multimode lui permet de tolérer, sans dommages ir-réversibles, des puissances optiques importantes de plusieurs watts [5]. La mesure distribuée de température par diffusion Raman, que nous présente-rons en partieI.B.2.c, possède une meilleure sensibilité grâce à l’utilisation de fibres multimodes. Cependant, la dispersion modale dans une fibre mul-timode limite la portée de mesure. La Figure I.2 représente la géométrie ainsi que le profil d’indice d’une fibre multimode.
— Les fibres optiques monomodes. Il s’agit de la géométrie de fibre la plus uti-lisée aujourd’hui. Ce type de fibre optique présente la géométrie décrite pré-cédemment, soit un cœur et une gaine optique ayant un diamètre respectif de 9 µm et de 125 µm. Dans le cas où le diamètre de cœur est proche de
FIGUREI.2 – Géométrie et profil d’indice d’une fibre optique mul-timode
la longueur d’onde de la lumière, il est nécessaire de prendre en compte les conditions de continuité des champs à l’interface cœur-gaine. Dans ce cas, la propagation de la lumière est décrite par les équations de Maxwell qui donnent lieu à l’équation de propagation linéaire où plusieurs modes peuvent être solutions. Les conditions de propagation dans une fibre op-tique monomode standard SMF28 font qu’elle ne propage, à des longueurs d’ondes supérieures à 1250 nm, qu’un seul mode optique qui est le mode fondamental hybride HE11. A l’inverse des fibres multimodes, ces fibres présentent un réel avantage pour les télécommunications longues distances puisqu’elles ne sont pas sensibles à la dispersion modale. Cependant les fibres monomodes, tout comme les fibres multimodes, restent sensibles à la dispersion chromatique. Ce type de fibre est largement utilisé pour la me-sure distribuée par fibre optique notamment pour les meme-sures de vibrations acoustiques, de température et de déformation. La FigureI.3représente la géométrie et le profil d’indice d’une fibre optique monomode.
FIGUREI.3 – Géométrie et profil d’indice d’une fibre optique mo-nomode
— Les fibres optiques à maintien de polarisation. Ce type de fibre optique fait intervenir la notion de polarisation de l’onde optique et de biréfringence. La propagation d’une onde lumineuse dans une fibre optique se fait sui-vant un axe z et les champs transverses de l’onde, évoluent suisui-vant les axes x et y. Les fibres optiques sont des matériaux dont les axes propres x et y ne présentent pas le même indice optique du fait de certaines anisotropies de géométrie (cœur non circulaire) ou d’indice (contraintes non isotropes). Cette différence d’indice de réfraction, appelée biréfringence, implique que les champs de l’onde optique ne se propagent pas à la même vitesse sur les axes x et y. Il y a donc une modification de l’état de polarisation d’un signal durant sa propagation dans une fibre. La variation de l’état de polarisa-tion est foncpolarisa-tion d’une longueur caractéristique que l’on appelle longueur de battement. Ce terme est défini comme étant la longueur de fibre pour
I.B. Les capteurs de mesure distribuée par fibre optique
laquelle une onde optique, initialement polarisée à 45° des axes propres, re-trouve ce même état de polarisation. La FigureI.4représente l’évolution de la polarisation suivant la longueur de battement.
FIGUREI.4 – Évolution de la polarisation de la lumière dans une fibre optique suivant la longueur de battement
Les fibres optiques monomodes classiques présentent une grande longueur de battement, de l’ordre du mètre, qui n’est pas constante le long de la fibre. Ceci implique qu’une onde polarisée en entrée de la fibre voit sa polarisa-tion être constamment modifiée de manière aléatoire durant sa propagapolarisa-tion. Une fibre à maintien de polarisation vise à réduire au maximum la longueur de battement de manière à garantir la stabilité de l’état de polarisation d’un signal se propageant dans la fibre. En introduisant des matériaux aux pro-priétés thermoélastiques différentes dans la structure de la préforme, des contraintes mécaniques sont induites au niveau du cœur lors du tirage sui-vant un axe privilégié, entraînant une différence fixe entre l’indice de l’axe x et celui de l’axe y [6, 7]. La faible longueur de battement de ce type de fibre, de l’ordre du millimètre, permet à une onde de conserver sa polari-sation tout le long de sa propagation. Malgré des techniques de fabrication qui s’améliorent grandement, il est difficile de garantir le maintien total de la polarisation de l’onde sur plusieurs kilomètres de fibre [8,9, 10]. La Fi-gureI.5présente un schéma en coupe de deux configurations standards de fibres à maintien de polarisation. Les parties plus sombres correspondent aux différents barreaux pouvant être insérés dans la fibre pour forcer la bi-réfringence de celle-ci. Les fibres à maintien de polarisation présentent un réel intérêt pour les applications capteurs notamment grâce à leur possibi-lité de réaliser une mesure distribuée comparant l’effet d’une perturbation physique sur les deux axes de polarisation [11,12,13]. Cependant, leur uti-lisation dans un contexte industriel reste limitée. Cela s’explique par des sensibilités de mesure faibles dans certains cas, une certaine difficulté d’im-plémentation sur des structures avec des soudures optiques complexes, et un maintien de la polarisation sur des longueurs de fibre trop courtes pour garantir l’instrumentation d’une structure de plusieurs kilomètres.
Les fibres optiques monomodes et multimodes sont donc les plus communes pour les applications industrielles aussi bien pour les télécommunications que pour la surveillance d’infrastructures par mesures réparties. Il existe de nom-breux autres types de fibres optiques que nous n’avons pas évoquées comme les fibres optiques multicœurs ou encore les fibres à cristaux photoniques. Ces fibres présentent un grand potentiel dans de nombreuses applications de mesure, mais
FIGUREI.5 – Coupe d’une fibre optique à maintien de polarisation
ces dernières souffrent encore de trop grandes pertes optiques lors de la propa-gation du signal et de coûts de fabrication bien trop élevés.
Nous allons, au cours de cette thèse, utiliser un certain nombre de fibres mo-nomodes qui répondent à des standard internationaux dans le domaine des télé-communications que l’on nomme "ITU-T" [14]. Nous les détaillons dans l’annexe
A. La majorité de ces fibres est insérée dans des câbles pour garantir une résis-tance mécanique élevée et limiter les risques de casse lors de leur manipulation.