Senseur de température distribué à haute sensibilité

Une fois l’intégration d’un laser MWBEFL comme senseur de température, il reste à convertir celui-ci en senseur distribué. Pour ce faire, on se doit de changer légèrement la cavité du MWBEFL qui est sous test en laissant la cavité de référence inchangée. Le but de modifier la cavité de test est de pouvoir localiser la position où la température varie, tandis que la cavité de référence sert encore ici à la détection de plusieurs ordres Stokes en même temps par technique hétérodyne. L’objectif n’est pas de tout recommencer la cavité, mais de modifier cette dernière en y incorporant deux éléments optiques actifs, soit des modulateurs acousto-optiques dans chacune des branches de la cavité sous test qui serviront à discrétiser les variations de la température le long de la fibre.

Un AOM est fait pour opérer à une fréquence RF donnée (55 MHz). Lorsque le AOM reçoit ce signal, la lumière est diffractée à la sortie du 1er ordre, ce qui amène des pertes (environ 10 dB) à l’ordre zéro. Étant donné que l’ordre +1 (et -1) amène un changement de fréquence de la lumière, on ne peut se servir de ces sorties pour ce système. En modulant le signal RF, on peut donc moduler la lumière à l’ordre zéro. Un système doit donc être conçu pour moduler un tel signal RF, tel que montré à la Figure 4.7 et Figure 4.8.

En ayant un modulateur dans chacune des 2 branches contre-propagatrices, il est possible de régler les paramètres de ces derniers pour que la génération cSBS ne se produise qu’au moment où ils se chevauchent spatialement et nulle part ailleurs le long de la fibre de test. En appliquant un délai électrique entre les deux AOMS, on vient ainsi changer la région spatiale de chevauchement, puis en répétant l’opération, on est en mesure de balayer sur toute la longueur de la fibre la région de chevauchement des AOMs et ainsi retrouver en tout point la température.

Avant de pouvoir acquérir un spectre distribué de température, de nombreuses étapes sont à suivre : 1. Ajuster l’intervalle spectral libre (FSR) des deux branches de la cavité

Cette étape est primordiale, car si les deux branches n’ont pas la même longueur et par le fait même, le même intervalle spectral libre (FSR), alors lors de la prise de mesures, à chaque passage complet de la lumière, la région de chevauchement sera décalée et il sera alors impossible d’accumuler suffisamment de puissance pour générer de la cSBS et d’avoir une mesure précise de la température à cet endroit rendant la mesure erronée. Ainsi, il faut trouver la FSR d’une des deux branches puis ajuster la longueur de l’autre branche pour qu’en fin de compte les deux FSRs soient égales. Une ligne à délai optique est insérée dans une des deux branches pour optimiser les deux longueurs relatives. Avec une cavité de quelques kilomètres comme celle-ci la finesse de la cavité n’est pas trop grande, ainsi une précision de quelques millimètres est suffisante. Heureusement, la majeure longueur des deux branches est partagée par la région centrale du générateur MWBEFL de test.

2. Moduler les AOMs à la fréquence de la FSR

Les AOMs ferment la cavité lorsqu’une onde RF à 55 MHz est appliquée sur leur cristal. Il faut donc moduler cette porteuse à la fréquence FSR, qui dans le cadre de cette thèse avoisinait les 50 kHz soit l’équivalent d’une FSR qui correspond à environ 4 km de fibre optique. Un circuit électrique de modulation maison a été construit afin de contrôler via un code Labview la

fréquence de modulation des deux AOMs à l’aide d’un générateur de fonction à deux sorties. Un générateur RF est employé pour envoyer le même signal porteur à 55 MHz en même temps aux deux AOMs. Le schéma électrique est présenté à la Figure 4.7, tandis que le principe de modulation complet est présenté à la Figure 4.8.

Figure 4.7 : a) Schéma du branchement général servant à la modulation des AOMs. b) Schéma électrique du circuit de modulation en trois étapes, soit la séparation de la porteuse, suivi de son amplification et de sa modulation avant d’être transmise vers les AOMs.

Figure 4.8 : Principe de modulation des AOMs étape par étape où l’onde porteuse est séparée en deux, puis amplifiée et modulée dans chacune des branches avant d’être transmise vers les deux AOMs. Gain M odulation Séparation Entrée Porteuse Entrée signal modulant 2 Entrée signal modulant 1 Sortie vers AOM 1 Sortie vers AOM 2 a) b) 1- Entrée porteuse 3- Porteuse amplifiée 2- Porteuse après coupleur 3dB

Ap

ν_p Ap/ 2

ν_p

4- Signal modulant

5- Sortie porteuse modulée

νm A_m 32Ap νp νp _ν m

Afin de contrôler les AOMs, un circuit de modulation maison a été construit où une onde porteuse sinusoïdale d’amplitude Ap et de fréquence νp=55 MHz est séparée en deux par un

coupleur RF de 3 dB puis le signal porteur dans chacune des branches menant à un AOM unique est réamplifié de 15 dB. Le signal porteur amplifié est gardé sous le seuil de dommage des cristaux des AOMs. Un signal modulant de forme carrée d’amplitude Am et de fréquence

νm est appliqué au signal porteur, qui est envoyé par la suite aux AOMs. En changeant le rapport

cyclique (duty cycle), cela change le temps d’ouverture des AOMs et donc la résolution spatiale du senseur (tel que schématisé en 5 à la Figure 4.8 pour deux rapports cycliques différents en bleu et orange).

3. Chauffer la chambre thermique

Avant de lancer une mesure, une portion de la longueur totale de la cavité est insérée dans la chambre thermique qui est ensuite chauffée à la température désirée pour l’expérience. On laisse, la température s’uniformiser pendant 45-60 minutes, avant de procéder à l’expérience. Un réajustement de la FSR peut être nécessaire, étant donné le changement d’indice de la fibre avec la température.

4. Générer les ondes Stokes en cascade

Pendant ce temps, il faut trouver les paramètres optimaux à la génération en cascade d’ondes Stokes Brillouin. Il s’agit d’optimiser l’équilibre entre la puissance du signal d’entrée (BP) et le gain fourni par les EDFAs situés à l’intérieur de la cavité. Il faut regarder à l’OSA le signal de sortie obtenu et modifier les paramètres pour observer un maximum d’ondes Stokes d’ordre supérieur. On change, alors le rapport cyclique des AOMs pour qu’il soit le plus petit possible tout en étant capable de générer des ondes Stokes et on ajuste les puissances des EDFAs à nouveau. Le rapport est précaire entre avoir trop de puissance d’entrée qui sature le gain des EDFAs, où trop de gain des EDFAs qui favorise la génération de l’ASE au détriment des ondes Stokes où un rapport cyclique trop petit qui empêche la génération d’ondes Stokes, il faut donc trouver le bon équilibre entre ces paramètres.

5. Contrôle de la polarisation

Les contrôleurs de polarisation dans chacune des branches permettent d’optimiser le gain Brillouin et influence le signal généré, il suffit alors de tourner les boucles du contrôleur, pour optimiser le signal observé à l’OSA sans connaître l’état de polarisation à l’intérieur de la cavité, qui doit tourner continuellement.

6. Lancer la mesure

On peut alors lancer la mesure, toutefois avant de commencer cette dernière, on doit générer un peigne de fréquences de référence. Ce dernier est beaucoup plus simple à générer, car il n’y pas toutes ces étapes à respecter, il ne suffit que d’accroître le gain à l’intérieur de la cavité. Enfin, on recombine les deux lasers MWBEFLs entre eux et on regarde simultanément le signal de sortie à l’OSA et à l’ESA. L’OSA sert à observer en temps réel si un problème survient, tandis que l’ESA nous permet d’acquérir la fréquence de battement qui est directement liée à la température le long de la fibre. En changeant le délai entre les AOMs on vient balayer la région d’observation et on peut donc retrouver la température en tout point.