Chapitre I : Capteurs à réseaux de Bragg
D. Les différents types de réseaux de Bragg
Les réseaux de Bragg peuvent être classés de différentes manières :
- selon le mode de couplage, on parle alors de réseaux de Bragg inclinés ou encore de réseaux à pas courts ou longs …
- selon leur signature spectrale, on parle de réseaux de Bragg à saut de phase, apodisés ou encore chirpés
Toutefois, nous allons classer les réseaux de Bragg selon leurs procédés d’inscription. Il existe différents procédés d’inscription, selon différents mécanismes à l’origine de la modification d’indice. Suivant le type de modification d’indice, les réseaux présentent des caractéristiques d’utilisation différentes. Pour ce faire, nous reprendrons la classification proposée par J. Canning [15].
Il existe globalement deux grandes familles, les réseaux dits de type I qui regroupent les réseaux photo-inscrits sous le seuil de dommage optique de la silice et les réseaux de type II inscrits au-dessus du seuil. A ces deux familles, nous pouvons en ajouter une troisième, sans qu’on puisse dire pour le moment si elle appartient à l’une ou l’autre des familles, il s’agit des réseaux dits régénérés, qui, bien qu’issus de réseaux de type I, ont un comportement similaire aux réseaux de type II.
1. Les réseaux de type I
a) Réseaux de type I et IH
Les réseaux de type I et IH sont les réseaux les plus courants. Les réseaux de type IH sont des réseaux de type I sensibilisés par hydrogénation. Ils sont inscrits par la formation de centres colorés lors de l’irradiation par un laser UV suivant le phénomène de photosensibilité décrit précédemment. Ces réseaux sont généralement inscrits par lasers UV continus ou pulsés, la vitesse d’inscription relativement lente (quelques minutes pour un réseau fortement réflecteur) dépendant en partie de la fluence du laser.
Ces réseaux sont relativement simples à inscrire car ils ne nécessitent pas l’utilisation de lasers impulsionnels faiblement cohérents. Ils ont par ailleurs une bonne qualité spectrale (le pic de Bragg est fin, inférieur au nanomètre, et n’est pas déformé), sont faiblement
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diffusants et ont par conséquent une forte capacité de multiplexage. Cependant, ils ne sont pas stables thermiquement et ne conviennent pas pour des applications au-dessus de 320 °C.
b) Les réseaux de type Id
Les réseaux de type Id ou réseaux dits densifiés, sont inscrits juste sous le seuil de dommage optique de la silice. Ce type de réseau ne peut être inscrit que par des lasers délivrant de fortes intensités et provoquant un échauffement très rapide de la silice. L’échauffement brutal de la silice suivi d’un refroidissement s’accompagne par une densification [16].
L’évolution de l’indice de réfraction évolue de manière linéaire avec la densité de la silice selon l’équation [17] :
𝑛 = 𝑛0+
𝑛𝑚𝑎𝑥− 𝑛0
(Δ𝜌 𝜌⁄ )𝑚𝑎𝑥( Δ𝜌
𝜌 )
Avec 𝑛0 = 1,459 l’indice de la silice non densifiée, 𝑛𝑚𝑎𝑥 = 1,543 l’indice de la silice complètement densifiée (21 % pour le verre en silice pure) pour une longueur d’onde 𝜆 = 589,3 nm et (Δ𝜌 𝜌⁄ ) la densification de la silice.
Figure 17 : Relation expérimentale entre la densité et l’indice de réfraction (à 𝜆 = 589,3 nm) du verre de silice pure. La pente calculée par régression linéaire est de 0,195. D’après [18]
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La stabilité thermique de ce type de réseau reste très variable, mais peut néanmoins dépasser facilement les 400 °C [15].
c) Réseaux de type In (ou IIa)
Ces réseaux ont la particularité d’être issus d’une modification d’indice négative. La formation des réseaux de type In suit l’inscription d’un réseau de type I par un laser UV impulsionnel de type excimère [14]. Lors de l’inscription après la saturation du réseau de type I, un relâchement de contraintes dans la structure de la fibre optique entraînerait une dilatation expliquant la variation négative de l’indice de réfraction [19].
Figure 18 : Inscription d’un réseau de type In par un laser excimère KrF émettant des impulsions de 10 ns de 12 mJ à 200 Hz à 248 nm dans une fibre co-dopée B-Ge, d’après [20].
La stabilité thermique des réseaux de type In est nettement supérieure à celle des réseaux de type I permettant leur utilisation pour des applications allant jusqu’à 700 °C.
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Figure 19 : Recuit thermique d’un réseau de type In d’après [21]
2. Les réseaux de types II
Les réseaux de type II sont issus d’un dommage optique de la silice. Ils peuvent être inscrits par des lasers UV nanosecondes ou bien des lasers d’impulsions plus courtes, femtosecondes, sans contraintes sur la longueur d’onde du laser.
Dès 1993, Les lasers nanosecondes ont été utilisés pour l’inscription de réseaux de types II réflecteurs à 100 % en une seule impulsion [22] ouvrant la voie à l’inscription de fibre optique directement sur tour de fibrage [13].
Les réseaux de type II sont extrêmement stables en température, supérieure à 1000 °C. Cependant, les défauts mécaniques engendrés sont fortement diffusants et les spectres des réseaux sont larges et déformés, ce qui limite d’autant leur capacité de multiplexage en longueur d’onde.
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Figure 20 : Recuit thermique de réseaux de Bragg de type II inscrits par une impulsion laser de 20 ns à 248 nm supérieure à 40 mJ, d’après [22]
Figure 21 : Spectre en réflexion et en transmission d’un réseau de Bragg de type II d’après [22]
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Les impulsions femtosecondes produisent des réseaux de type II de bien meilleure qualité mais leur très faible longueur de cohérence reste néanmoins une limite pratique importante. Ces points seront développés plus en détail dans la troisième partie de ce manuscrit.
3. Les réseaux régénérés
Les réseaux régénérés sont à la frontière des réseaux de type I et des réseaux de type II. Ces réseaux ne sont pas à proprement parler photo-inscrits. Ils sont issus d’un procédé thermique consistant en l’effacement complet d’un réseau dit initiateur suivi de l’apparition d’un réseau dit régénéré étant nettement plus stable en température tout en conservant les caractéristiques du réseau initiateur.
Ainsi, un réseau de type I s’effaçant à 300 °C peut être régénéré en un réseau stable à plus de 900 °C d’une bonne qualité spectrale, conservant tout le potentiel de multiplexage en longueur d’onde. Ces réseaux seront détaillés dans la deuxième partie de ce manuscrit.