Soutenance mémoire
Systèmes à base de la rétrodiffusion Rayleigh
Les Capteurs à Fibres Optiques à base de la rétrodiffusion de Rayleigh permettent de mesurer les variations de la température, des déformations… Un système basé sur la réflectométrie optique temporelle (OTDR) peut être utilisé pour réaliser ces mesures. La technique OTDR consiste à envoyer des impulsions optiques dans la fibre optique sous test, le temps de parcours et l’amplitude du signal rétrodiffusé sont mesurés [26]. Dans une fibre optique monomode (SMF 28 par exemple) la dépendance à la température de l’intensité de la rétrodiffusion de Rayleigh est très faible, ce qui ne permet pas la réalisation d’un capteur. L’approche proposée pour la réalisation des Capteurs à Fibres Optiques à base de la rétrodiffusion de Rayleigh, pour la mesure de la température, fut historiquement fondée sur l’utilisation de fibres à cœur liquide [26]. La fibre utilisée est alors une fibre exotique de silice dont le cœur creux est rempli par un liquide qui assure le guidage de la lumière à l’intérieur de la fibre et dont l’indice de réfraction, voire les pertes dues à sa présence peuvent dépendre la température. Une autre solution pour l’utilisation de la rétrodiffusion Rayleigh est basée sur l’utilisation des fibres à cœur dopé, généralement de terres-rares. Avec la variation de la température, la bande d’absorption du ou des dopant(s) est décalée. L’observation des pertes sur une bande d’absorption spécifique permet de réaliser la mesure de la température. Mais, les pertes dans une fibre dopée sont plus élevées que dans une fibre non dopée ce qui limite la distance sur laquelle la mesure peut être réalisée [26]. Pour obtenir une résolution millimétrique avec les systèmes Rayleigh basés sur la technique OTDR il faut disposer d’un laser émettant des impulsions ultra courtes (centaines de ps), d’une carte d’acquisition ayant une grande bande passante (de l’ordre d’une dizaine de GHz) et d’une détection ultra performantes de type comptage de photons. Tout ce dispositif augmente le coût de ces dispositifs [26]. En utilisant la technique réflectométrie du domaine de fréquence optique (OFDR) pour la génération de signaux et le traitement du signal, la réponse fréquentielle du système est convertie dans le domaine spatial (ou temporel). Donc la résolution spatiale devient indépendante de la largeur de raie du détecteur et du numérateur (la carte d’acquisition) [26]. Cette technique permet une mesure des contraintes ou des températures avec une résolution spatiale de l’ordre du 1 cm. Elle est excellente pour la surveillance jusqu’à des distance de 2 km. Pour une surveillance structurelle de plus grandes dimensions, avec une meilleure résolution spatiale, les capteurs fondés sur l’effet Brillouin sont plus volontiers utilisés.
Avantages de la configuration VECSEL
Depuis leur invention en 1962 [1] [2], les lasers à semi-conducteurs ont permis de réaliser des progrès significatifs dans plusieurs domaines tels que les communications par fibres optiques, les produits liés à l’informatique (DVD, lecteurs CD, les imprimantes lasers,…), la médecine… [2]. Les diodes lasers les plus couramment utilisées dans les systèmes de communications optiques sont de type ‘émission par la tranche’. Cette configuration est schématisée sur la Figure II-1(a). La cavité laser est formée par un guide d’onde plan et est limitée par des faces clivées qui forment les miroirs de la cavité laser. Pour assurer une émission monomode transverse, les dimensions typiques du guide d’onde sont de l’ordre du micron ou moins (w et e sur la Figure II-1(a)) [3]. La faible taille du mode conduit à un faisceau de sortie de forte divergence angulaire. Une autre configuration possible est l’émission par la surface utilisant une microcavité verticale, comme représenté sur la Figure II-1(b). Compte-tenu de l’épaisseur de la microcavité incluant la région active (de l’ordre du micron), le gain accumulé sur un aller-retour de cavité est bien plus faible qu’en émission par la tranche et les miroirs de cavité doivent présenter une réflectivité élevée pour atteindre le seuil d’oscillation laser. Des réflecteurs de Bragg (ou Distributed Bragg Reflectors – DBR) sont généralement utilisés. Les lasers à cavité verticale à émission par la surface (vertical-cavity surfaceemitting laser – VCSEL) émettent un faisceau monomode transverse, circulaire et beaucoup moins divergent que celui obtenu avec les lasers à émission par la tranche. Cependant, comme pour les lasers à émission par la tranche, pour garantir une émission monomode transverse il est nécessaire de restreindre le diamètre d’émission, ce qui limite typiquement la puissance émise à moins d’une dizaine de mW. Les VCSELs de large diamètre peuvent délivrer des puissances plus élevées, mais l’émission est alors multimode transverse [4].
Régimes d’émission et applications
Un intérêt des VECSELs par rapport aux lasers à l’état solide est la possibilité de choisir la longueur d’onde d’émission en choisissant le matériau semi-conducteur convenable. Par exemple, en utilisant un substrat de GaAs avec des matériaux ternaires tel que AlGaAs, InGaAs l’émission laser peut être obtenue à des longueurs d’ondes entre 800 nm et 1000 nm [9] [10] [11]. A partir du substrat InP et des matériaux quartenaires InGaAsP ou InGaAlAs, l’émission laser peut être obtenue entre 1300 et 1650 nm [12] [13]. En 2002, Muller et al. ont démontré la réalisation du premier VECSEL à base de AlGaInP émettant une lumière rouge [14], quant au système de matériaux GaInSbAs/GaSb, il permet d’atteindre le domaine spectral moyen infrarouge (MIR,λ 2 µm). Les VECSELs émettant dans le visible peuvent avoir un intérêt dans le domaine de la médecine (traitement des cancers, lecture des codes des séquences d’ADN, ..) [15]. Dans le domaine MIR (entre 2.2 et 5 µm), ils trouvent une utilité pour les applications de contrôle de procédés industriels, les contre-mesures militaires, la surveillance environnementale, les capteurs de gaz… [16] [17]. Les VECSELs émettant à 1,55 µm sont eux principalement étudiés en vue d’applications dans le domaine des communications optiques et de l’instrumentation sur fibre optique. Les propriétés d’émission du VECSEL peuvent être modifiées en introduisant des éléments intra-cavité tels que des filtres, des éléments biréfringents, non-linéaires, etc… Différentes fonctions et applications peuvent être envisagées suivant la longueur d’onde d’émission, et le régime d’émission.Le premier régime d’émission intéressant à citer concerne l’émission mono fréquence. En 1999, M.A. Holm et al. [18] ont démontré le premier VECSEL mono fréquence utile pour des applications de spectroscopie et d’optique non linéaire, en utilisant une structure VECSEL GaAs/AlGaAs émettant vers 870 nm. Un régime mono fréquence de grande pureté spectrale a été atteint en introduisant dans la cavité un étalon Fabry-Pérot utilisé pour assurer une émission monomode longitudinale et un filtre de Lyot (LF) utilisé pour sélectionner un seul mode longitudinal de l’étalon Fabry-Pérot. Récemment, un prototype de source VECSEL mono fréquence à 1.5 µm a été proposé comme source faible bruit pour des liaisons radars large-bande [19]. En insérant dans la cavité un élément non linéaire [5], il est possible de modifier les propriétés spectro-temporelles de l’émission laser. Il est par exemple possible de réaliser le doublage de fréquence intra-cavité par génération de seconde harmonique. Ceci permet d’atteindre des longueurs d’ondes difficilement accessibles pour l’instant à partir de matériaux semi-conducteurs, notamment la plage spectrale bleu-violet et ultra-violet (UV) [20]. L’analyse de molécules par spectroscopie d’absorption est l’une des applications qui demandent l’utilisation d’une source UV [21] . En insérant un absorbant saturable dans la cavité VECSEL, nous pouvons obtenir une émission impulsionnelle en régime de blocage de modes passif. Une des principales applications des lasers à blocage de modes est la réalisation de peignes de fréquences avec des modes largement espacés (autour de 50 GHz ou 100 GHz pour les transmissions WDM)ayant des puissances élevées [22]. Ces lasers sont utiles pour des applications métrologiques et pour la réalisation des horloges optiques ultra stables [23]. Une autre application des VECSELs impulsionnels est la spectroscopie d’absorption. En 1999 A.Garnache et al. ont ainsi utilisé un VECSEL InGaAs/GaAs en régime de blocage des modes émettant à 1µm pour la réalisation d’un spectromètre compact pouvant servir comme capteur de gaz [24]. Les VECSELs en régime de blocages de modes émettant à 1.5 µm, peuvent être utilisés dans le domaine des communications optiques, pour générer des peignes de fréquence [23], mais aussi comme source de déclenchement ultra-rapide pour l’échantillonnage tout-optique de signaux optiques haut-débit [25]. Le régime d’émission bi-fréquence nécessite aussi l’insertion d’éléments intra cavité. Le premier VECSEL bi-fréquence a été réalisé par G. Baili et al. [26]. Le principe de fonctionnement se fondait sur une architecture de cavité proposée initialement en utilisant comme milieu de gain un cristal ou verre dopé [27] [28]. Dans cette première démonstration [25], l’objectif était de générer un signal de battement hyperfréquence (dans la gamme 0.1 GHz – 20 GHz) sur porteuse optique, pour applications radar large bande. A la suite de cette première démonstration, d’autres applications des VECSELs bi fréquence ont émergé, comme la réalisation d’un signal de pompage de la raie D2 de l’atome de césium, pour les horloges atomiques [29]. Dans ce travail de thèse, nous envisageons l’utilisation d’un VECSEL émettant à 1550 nm pour la réalisation d’une source bi-fréquence pour les capteurs à fibres optiques à base de l’effet Brillouin. Le principe de fonctionnement des VECSELs bi-fréquence sera exposé en détail dans le chapitre III consacré à la conception de notre VECSEL bi-fréquence. Par rapport aux VECSELs basés sur le système de matériau GaAs/AlAs, le problème des VECSELs à base d’InP est l’augmentation excessive de la température dans la région active. Différentes approches sont proposées pour contourner ce problème. Elles sont présentées dans le paragraphe suivant, qui rappelle également quelques caractéristiques importantes des lasers et des VECSELs.
Emission bi-fréquence stable avec le laser multimode
La cavité laser utilisée est toujours la même. Sauf la structure VECSEL D2, qui a été remplacée par la structure D1. Nous avons gardé le miroir utilisé pour la mesure de la taille du mode de cavité (un miroir ayant un ROC=38 mm, une réflectivité R=99.7%, et un diamètre Ø=12.7 mm). Pour conserver la même taille du mode de cavité ω0 autour de 50 µm, la longueur de la cavité a été fixée à Lcav~37 mm (le rayon de mode de cavité calculé correspondant est ω0=55 µm). Nous avons conservé la même séparation spatiale entre les modes orthogonaux c.à.d que nous avons utilisé la lame YVO4 1 mm. La Figure IV-18 représente les spectres optiques de l’émission laser bi-fréquence enregistrés sur l’OSA avec un intervalle de temps de 5 minutes pour vérifier la stabilité de l’émission laser. L’émission bi-fréquence est obtenue ici avec une densité de puissance incidente de pompe de 3.5 kW/cm2 (soit une puissance de pompage de ~ 5 W). La Figure IV-18 montre que l’isolation des vibrations est un paramètre important pour maintenir une bonne stabilité même grossière (résolution de ~ 1 GHz) de l’émission bifréquence et de la différence de fréquence. Il aurait été intéressant à titre comparatif de refaire les mêmes expériences avec exactement les mêmes éléments de cavité (ROC=18 mm et Lcav~16.4 mm) qu’avant l’optimisation de la table optique, mais il paraissait prioritaire d’approfondir la caractérisation de l’émission bifréquence dans les conditions stables.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I.Introduction aux capteurs à base de fibres optiques (CFO)
I.1 Les Capteurs à base de fibres optiques
I.1.a Avantages des Capteurs à Fibres Optiques
I.1.b Les capteurs à base du réseau de Bragg
I.2 Les phénomènes de rétrodiffusion dans les fibres optiques
I.2.a Rétrodiffusion de Rayleigh
I.2.b Rétrodiffusion Raman
I.2.c Diffusion Brillouin
I.2.c.i Diffusion de Brillouin spontanée (SpBS)
I.2.c.ii Diffusion de Brillouin stimulée (SBS)
I.2.c.iii Dynamique de la rétrodiffusion Brillouin dans les fibres optiques
I.3 Capteurs répartis à base des fibres optiques
I.3.a Systèmes à base de la rétrodiffusion Rayleigh
I.3.b Utilisation de la rétrodiffusion Raman dans les systèmes d’interrogation
I.3.c Utilisation de l’effet Brillouin dans les systèmes d’interrogation
I.3.c.i Interrogateurs à base de l’effet Brillouin spontané
I.3.c.ii Interrogateurs à base de l’effet Brillouin stimulé
I.4 Configuration proposée pour la diminution du coût des capteurs à effet Brillouin spontané
I.5 Détection du signal dans le domaine des moyennes fréquences
I.6 Configuration des Capteurs à Fibres Optiques à base de l’effet Brillouin en utilisant une source VECSEL bi-fréquence
I.6.a Capteurs utilisant la rétrodiffusion Brillouin spontanée
I.6.b Capteurs utilisant la rétrodiffusion Brillouin stimulée
Références
Chapitre II. Présentation de la structure VECSEL
II.1 Introduction
II.1.a Avantages de la configuration VECSEL
II.1.b Régimes d’émission et applications
II.1.c Caractéristiques importantes des VECSELs
II.1.c.i Dissipation de la chaleur dans la structure VECSEL
II.1.c.ii Gain modal du VECSEL
II.1.c.iii Bruit d’intensité dans les VECSELs
II.2 Les VECSELs à 1550 nm
II.2.a État de l’art
II.2.b Fabrication de la structure VECSEL utilisée dans cette thèse
II.2.c Caractérisation des structures VECSEL
II.2.c.i Principe du fonctionnement laser en cavité plan–concave
II.2.c.ii Montage expérimental pour le test des structures
II.2.c.iii Résultats des tests obtenus avec les structures VECSEL
II.2.c.iii.a Test réalisé sans aucun dépôt anti reflet
II.2.c.iii.b Test réalisé avec dépôt AR à 1550nm
II.2.c.iii.c Test réalisé avec une cavité résonante et dépôt anti reflet (AR) à 980nm
II.3 Conclusion
Références
Chapitre III…… Conception et réalisation d’un VECSEL bi-fréquence à 1.55µm pour les interrogateurs de Brillouin
III.1 Travaux antérieures des lasers bi-fréquences
III.1.a Lasers bi-fréquences à l’état solide
III.1.b VECSELs bi-fréquences
III.2 Conception de la cavité laser
III.2.a La géométrie de la cavité
III.2.b L’utilisation d’un étalon Fabry-Perot intra-cavité
III.2.c Caractéristiques du cristal biréfringent
III.2.c.i Propagation du faisceau laser dans le cristal biréfringent
III.2.c.ii Le phénomène de la double réfraction
III.2.c.iii Réfraction des rayons à l’intérieur d’un cristal biréfringent uniaxe
III.2.c.iv Calcul de la séparation spatiale induite par la lame biréfringente
III.2.d Coefficient de couplage entre les modes de cavité
III.2.e Calcul de la différence de fréquence (Δν)
III.2.e.i Accordabilité du décalage fréquentiel avec la variation de la température
III.2.e.ii Accordabilité du décalage fréquentiel avec la variation de l’angle d’incidence
III.2.e.iii Accordabilité du décalage fréquentiel avec la variation de la longueur de la cavité
III.3 Conclusion
Références
Chapitre IV Résultats expérimentaux
IV.1 Emission laser bi-fréquence avec une source de pompage multimode
IV.1.a Description du montage expérimental
IV.1.a.i Présentation des différents éléments du montage
IV.1.a.i.a Le dissipateur de chaleur
IV.1.a.i.b Les éléments de la cavité optique
IV.1.a.ii Gain disponible pour les modes ordinaires et extraordinaires et orientation de la structure VECSEL
IV.1.a.iii Le laser de pompage
IV.1.a.iii.a Description du système optique de pompage
IV.1.a.iii.b Mesure de la taille du spot de pompe
IV.1.a.iv Equipements de caractérisation de l’émission laser
IV.1.b Premiers tests pour la réalisation de l’émission bi-fréquence
IV.1.b.i Détermination de la longueur de la cavité Lcav
IV.1.b.ii Procédure d’alignement de la cavité en présence de la lame biréfringente
IV.1.b.iii Obtention de l’émission bi-fréquence et mise en évidence de l’instabilité
IV.1.b.iv Effet de la taille du spot de pompage et de la compétition entre modes transverses
IV.1.b.v Effet des vibrations et de l’isolation de la table optique
IV.1.c Réalisation de l’émission laser bi-fréquence après l’optimisation de la table optique
IV.1.c.i Emission bi-fréquence stable avec le laser multimode
IV.1.d Conclusion
IV.2 Emission laser bi-fréquence avec une source de pompage monomode
IV.2.a Description du montage expérimental avec la pompe monomode
IV.2.a.i Eléments de la cavité utilisés dans la suite des expériences
IV.2.a.ii Système de focalisation de la source de pompage
IV.2.a.ii.a Optique de focalisation
IV.2.a.ii.b Mesure de la taille du spot de pompe
IV.2.a.ii.c Adaptation du spot de pompage pour le pompage des deux modes de cavités
IV.2.b Obtention de l’émission bi-fréquence
IV.2.c Etude de la puissance de sortie
IV.2.d Influence du recouvrement spatial entre les modes orthogonaux
IV.2.d.i Emission bi-fréquence avec un recouvrement nul
IV.2.d.ii Emission bi-fréquence avec un recouvrement de 25%
IV.2.d.iii Emission bi-fréquence avec un recouvrement de 50%
IV.2.d.iv Emission bi-fréquence avec un recouvrement de 70%
IV.2.e Effet du filtre étalon
IV.2.f Analyse fine de la stabilité de la différence de fréquence
IV.2.f.i Principe de la mesure
IV.2.f.ii Mise en évidence de la gigue de la différence de fréquence
IV.2.f.iii Origines de la gigue de la différence fréquentielle observée sur l’ESA
IV.2.f.iii.a Effet du coefficient de recouvrement
IV.2.f.iii.b Autres effets possibles qui induisent l’instabilité de l’émission bifréquence
IV.3 Perspectives pour un meilleur contrôle de l’émission bi-fréquence
IV.3.a Réduction la gigue et la dérive de la différence de fréquence
IV.3.b Contrôle de la valeur de la différence de fréquence
IV.3.c Accordabilité de la différence de fréquence
IV.4 Conclusion
Références
Conclusion générale
Annexe
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