Les différents types de FBG

Ces FBG “standards” correspondent physiquement à des modulations d’indice de réfraction quasi- sinusoïdale sur une portion de longueur L du coeur de la fibre optique. Dans cette portion du réseau, le profil de l’indice de réfraction s’écrit de manière générique :

n(z) = n0+δn(z) 2 cos  2π Λ(z)z      2.7

où z est l’abcisse le long de la fibre optique. En dehors de la portion L du réseau, l’indice vaut l’indice moyen n0 de la fibre optique. L’expression fait apparaître l’amplitude de modulation δn(z). Pour un

réseau uniforme, cette amplitude est constante. Il est possible de paramétrer cette amplitude avec une fonction d’enveloppe de type gaussien ou cosinus. Dans ces cas, nous obtenons des réseaux apodisés (figure 2.13). Λ(z) est la période de modulation. Il est également possible de paramétrer la période en fonction de la longueur. Dans le cas d’un réseau uniforme, la période est constante. Dans le cas de réseau étiré (chirped), la période varie comme une fonction linéaire de z. Le réseau obtenu admet alors un spectre aux caractéristiques singulières.

Un FBG uniforme a donc les caractéristiques suivantes : amplitude de modulation d’indice δn constant (typiquement 10−3 à 10−5_{), longueur L entre 1 et 30 mm de long, et période Λ de l’ordre} de 500 nm pour une λB de l’ordre de 1500 nm. Compte tenu de la faible différence d’indice entre

deux périodes successives, nous noterons qu’un grand nombre de périodes est nécessaire pour que le phénomène soit perceptible (au moins 2000). L’indice n₀ se distingue de l’indice effectif. Ce dernier correspond à une valeur intégrée moyenne de n(z). Bien que la modulation soit très faible (de l’ordre 10−4_{) devant l’indice de cœur, soit δn=0,01 % de n0}, cela suffit cependant pour obtenir des FBG de bonne qualité. La qualité d’un réseau est globalement proportionnelle à la valeur maximale du taux de transmission ou de réflexion.

En réalité, la modulation de l’indice de réfraction décrite par une fonction quasi-sinusoïdale est un modèle simplifiant la distribution réelle de l’indice de réfraction dans un FBG. Récemment, des observations au moyen d’un microscope différentiel d’un FBG [Rollinson 05], montrent une répartition plus complexe alvéolés (Figure 2.11).

CHAPITRE 2. PHYSIQUE DES RÉSEAUX DE BRAGG ET PRINCIPE DE MESURE DU CAPTEUR

2.2.5.2 Réseau de Bragg étiré (Chirped)

Ce réseau présente un profil d’indice avec une période qui varie entre ses deux extrémités (Figure 2.13). La variation est linéaire et de la forme : Λ(z) = Λz=0+ az. Le coefficient directeur a quantifie la

variation du réseauchirpé. Par exemple, un réseau chirpé de 10 mm peut débuter avec une période de 500 nm et atteindre en bout de réseau une période de 600 nm, celui-ci admet alors un coefficient de 100 nm/cm. [Byron 93] a proposé et breveté une technique de fabrication pour ce genre de réseau. Sa technique consiste à réaliser une gravure classique sur une fibre optique qui présente une diminution progressive de section. Les angles incidents varient progressivement. D’après [Othonos 99] d’autres techniques de fabrication consistent à fléchir la fibre. Ce type de réseau a trouvé un intérêt dans le domaine des télécommunications, car il présente un spectre de réflexion avec une bande passante paramétrable. Dans le domaine des capteurs, il a été appliqué dans la détection de fissure [Okabe 00] [Takeda 05] [Yashiro 05]. En effet, il présente un spectre large. Une fissure provoque l’apparition d’une raie sur le spectre large. La position de la raie sur le spectre est une source d’information qui est liée à la localisation de l’incidence sur la longueur du réseau. Ainsi, on peut détecter l’apparition de la fissure et la localiser.

2.2.5.3 Réseau à longue période, Long Period Grating (LPG)

Les réseaux à longue période proposés par Vengsarkar [Vengsarkar 96] d’ATT Bell Labs (et bre- vetés) diffèrent des autres FBG principalement par la longueur de leur période, environ 100 fois plus grande, et en conséquence par leur longueur, 2 à 10 cm contre quelques millimètres. Une revue de James et al. [James 03] synthétise les caractéristiques du réseau LPG et ses applications. Ils diffèrent également par un mode de propagation qui est dit radiatif et non contra-propagatif. Dans un mode radiatif, le couplage entre les modes se fait dans la gaine et non au sein du cœur optique comme c’est le cas dans le mode contra-propagatif des FBG standards. Le formalisme associé (conservation des moments) conduit à une condition sur les constantes de propagation :

β01− β = ∆β = 2π Λ     2.8 où β01est la constante de propagation incidente (dans le coeur optique, guide d’onde) et β celui de

la gaine. La condition de résonance de Bragg est modifiée par rapport au réseau classique et devient : λBragg = 2(n_c− n_g)Λ m     2.9 faisant apparaître la différence entre l’indice de réfraction du coeur et de la gaine (typiquement 10−2). C’est cette dernière valeur qui impose pour une même longueur d’onde de Bragg une période environ 100 fois plus importante. Le LPG se distingue du réseau classique par le fait qu’il ne présente pas de spectre en réflexion (Figure 2.13). Il présente seulement un spectre en transmission large de quelques nanomètres (contre environ 100 pm pour le réseau classique). Le LPG a la particularité d’avoir une sensibilité thermique dix fois plus importante que les FBG classiques. Ceci est mis à profit par les brevets de Kersey et al. [Kersey 99] et de Krol et al. [Krol 00] notamment pour le découplage des grandeurs température/déformation.

2.2.5.4 Réseaux de Bragg superposés

Othonos et al. [Othonos 99] ont proposé un dérivé des FBG. Ces fibres optiques gravées ont la singularité de présenter une multitude de gravures de FBG sur le même site. [Othonos 99] ont gravés

2.2. DESCRIPTION ET FABRICATION DES FBG

des réseaux superposés FBG au moyen d’un laser Excimer KrF et un banc d’inscription à masque de phase. La fibre optique utilisée est ATT Accutether qui a été préalablement soumise à un procédé d’hydrogénation.

De même, nous avons exploité le montage d’inscription à miroir de Lloyd pour réaliser des gravures pour différentes longueurs d’onde. Ici à titre d’illustration, nous avons fabriqué une fibre optique présentant 4 FBG superposés, avec quatre longueurs d’onde sur la réponse spectrale (Figure 2.12). Notons que les gravures successives sont limitées par la photosensibilité de la fibre.

Fig. 2.12 – Puissance transmise par 4 FBG superposés sur la même fibre optique

2.2.5.5 Autres réseaux : distribués, inclinés, super-structurés, à saut de phase, photo- niques

Par distribution, nous entendons une fibre optique sur laquelle plusieurs FBG “classiques” sont gravés. Ces capteurs FBG distribués trouvent une application dans le génie civil (les ponts, les tunnels) ou dans l’application de câbles de fibres sous-marines sur de longues distances où plus de 380 capteurs FBG ont été gravés en série [OFS17, 2005]. Autrement, les possibilités de paramétrer les amplitudes et la période de modulation de l’indice de réfraction ont permis de développer des types variés de FBG. Nous pouvons citer un FBG avec un saut de phase dans la thèse de Bakhti [Bakhti 97]. Celui-ci présente un profil d’indice dont l’allure est celle de deux FBG uniformes séparés d’une zone sans gravure. Ils trouvent une application dans le domaine de la télécommunication. Nous citerons également les réseaux superstructurés dans les travaux de Eggleton et al. [Eggleton 94]. Ces réseaux correspondent à de multiples réseaux dont les amplitudes sont contenue à l’intérieur d’une enveloppe gaussienne. L’ensemble se comporterait d’après Eggleton et al. [Eggleton 94] comme un réseau LPG couplé à de multiples FBG. D’autres auteurs, Kang et al. [Kang 98] ont gravé des réseaux avec des conditions particulières, notamment en jouant sur l’inclinaison de la fibre optique. Ils ont fait desréseaux dit inclinés. Ces réseaux sont exploités pour le découplage des grandeurs (voir chapitre 5Découplage). Il est possible de graver des réseaux sur d’autres supports de fibre optique que les fibres optiques standards monomodes : les fibres à section d’indice en “papillon”(bow-tie), les fibre en D (D-Type fiber), les fibres photoniques. Ces dernières, apparues récemment (17th International

Conference on Optical Fibre Sensors), sont constituées d’une multitude de cavités d’air qui guident la

lumière. Le mode de propagation est révolutionnaire par rapport aux fibres précédentes. Elles ont un intérêt pour accroître les débits des télécommunications. Mais elles trouvent aussi une application dans le domaine des capteurs FBG pour la détection de gaz ou de concentration d’un composant chimique

CHAPITRE 2. PHYSIQUE DES RÉSEAUX DE BRAGG ET PRINCIPE DE MESURE DU CAPTEUR

(OFS17), (JNOG2006).

Fig. 2.13 – Principaux types de FBG