Modélisation et simulation de la propagation optique dans une fibre

N° d’ordre : 1127
École Doctorale Mathématiques, Sciences de
l'Information et de l'Ingénieur
UdS – INSA – ENGEES
THÈSE
présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de Strasbourg
Discipline : Sciences pour l’Ingénieur
Spécialité : Optique et Laser
par
Anthony Bichler
Modélisation et simulation de la propagation optique dans
une fibre optique multimode précontrainte. Conception de
capteurs à fibre optique à modulation d’intensité dédiés à
la mesure de températures et d’étirements.
Soutenue publiquement le 21 septembre 2011
Membres du jury
Directeur de thèse : M. Bruno Serio, Maître de conférences de l’ENSPS, Strasbourg
Rapporteur externe : M. Yannick Bailly, Professeur de l’Université de Franche-Comté, Belfort
Rapporteur externe : M. Emmanuel Bigler, Professeur de l’ENSMM, Besançon
Examinateur : M. Christophe Lallement, Professeur de l’ENSPS, Strasbourg
Invité : M. Sylvain Lecler, Maître de conférences del’ENSPS, Strasbourg
Invité : M. Joël Fontaine, Professeur de l’INSA, Strasbourg
Invité : M. Philippe Nika, Professeur de l’Université de Franche-Comté, Belfort
Invité : M. Sylvain Fischer, Docteur de l’Université Louis Pasteur, Strasbourg
Institut d’Electronique du Solide et des Systèmes UMR 7163

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A mes parents,
à ma sœur

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Remerciements
Mes premiers remerciements sont pour Sylvain Fischer qui m’a permis de réaliser cette thèse
en convention Cifre au sein de la société Phosylab SAS. Je suis très reconnaissant pour la confiance
qu’il m’a témoignée tout au long de la thèse ainsi que sa disponibilité, son investissement et son
soutien. Je tiens également à remercier Bruno Serio, mon directeur de thèse, pour ses conseils avisés et
son encouragement et Sylvain Lecler, mon co-encadrant, d’avoir suivi au quotidien le travail de thèse.
Je tiens à les remercier de s’être montrés à l’écoute et très disponible tout au long de la réalisation de
ce mémoire, ainsi que pour l’inspiration, l’aide et le temps qu’ils ont bien voulu me consacrer pour son
écriture. Je remercie également Pierre Pfeiffer qui a accepté de relire le mémoire.
Je tiens à exprimer ma reconnaissance aux membres du Laboratoires des Systèmes
Photoniques et de l’Institut d’Electronique du Solide et des Systèmes, doctorants, post-doctorants,
maître de conférences et professeurs pour leur aide et leur soutien.
Mes remerciements vont aussi aux membres du Jury ont accepté d’évaluer cette thèse.
Enfin, je remercie ma famille et mes amis de m’avoir soutenu durant ces quatre années de
thèse.

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Résumé
Ce mémoire présente la modélisation, la simulation et la conception d’un nouveau capteur de
température et d’étirement à fibre optique à modulation d’intensité dont l’élément sensible constituant
le transducteur, est composé d’une fibre optique multimode à saut d’indice pincée entre deux
mâchoires micro-structurées. L’effet du pincement produit des perturbations locales périodiques de la
géométrie et de l’indice optique des éléments constitutifs de la fibre (cœur et gaine). Pour modéliser
les couplages radiatifs dus à la courte période de perturbation, nous avons choisi d’utiliser un modèle
électromagnétique du couplage de modes développé initialement par Dietrich Marcuse. Cette
simulation nous a permis de déterminer la sensibilité du transducteur en fonction de ses
caractéristiques propres. A partir de ces résultats, nous avons choisi les paramètres pour dimensionner
le capteur en fonction de l’application visée. Les premiers prototypes des mâchoires des transducteurs
ont été microstructurés en créneaux de 20 µm de profondeur et de période comprise entre 50 µm et
100 µm gravés dans du métal par usinage au laser femto-seconde. Après évaluation, nous avons
proposé et contribué à développer un procédé de fabrication en grande série des mâchoires par
injection plastique très performant. Les tests des premiers démonstrateurs de capteur ont permis de
valider les modèles de calcul et révélés une réponse expérimentale linéaire en fonction du mesurande.
Nous présentons les méthodes d’étalonnage statique et dynamique que nous avons proposées pour
établir les spécifications métrologiques du capteur. Dans le cas du capteur de température, nous avons
démontré une sensibilité de 35 mV/°C sur la plage comprise entre -18°C et 60°C pour un capteur à
base de fibre HCP200 (silice/polymère). La caractérisation dynamique a permis d’établir un modèle de
calcul prédictif de la vitesse de réponse du capteur lorsqu’il est utilisé pour mesurer des températures
dans un écoulement de gaz.
Mots-clés : capteur à fibre optique, transducteur optique à modulation d’intensité, effet élasto-optique,
couplage de modes, réponse mécanique d’une fibre optique multimode, capteur de température,
capteur d’étirement, micro-usinage laser, injection plastique de microstructures.

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Abstract
This manuscript presents the modeling, simulation and design of a new kind of light
modulation optical fiber sensor for temperature and strain measurement. The transducer consists of a
multimode fiber step index clamped between two micro-structured jaws. The clamping effect
generates local periodical perturbations of both the geometry and the fiber refraction indexes (core and
optical cladding). In order to compute the radiative coupling occurring when the waveguide is
perturbated by a mechanical deformation of short period, we have chosen to use an electromagnetic
model of modes coupling initially developed by Dietrich Marcuse. The simulation allowed us to
determine the transducer sensitivity according to its specific characteristics. From these results we
have chosen the parameters useful to design the sensor versus the aimed application. The first jaws
prototypes of transducers have been microstructured in rectangular pattern etched in metal by femto-
second laser micromachining. The elementary pattern size was of 20 micrometers of depth and the
pattern layout period was ranging from 50 µm to 100 µm. After evaluation, we proposed to develop a
large scale fabrication process of the jaws using plastic injection which was very efficient. The
experimental tests of the first sensor prototypes allowed the validation of the computing models and
showed a linear response of the sensor versus the measured physical parameter. We present the static
and dynamic calibration methods that we have implemented to establish the metrological
specifications of the sensor. In the case of the temperature sensor, we demonstrated a 35mv/°C
sensitivity in the range from -18 to 60 degrees Celsius for the HCP200 fiber (silica/polymer). The
dynamic characterization allowed to predict its dynamic performances when it was used to measure
temperature in a gas flow.
Keywords: optical fiber sensor, light intensity modulation transducer, strain-optic effect, mode
coupling, mechanical response of a multimode fiber, temperature sensor, strain sensor, laser
micromachining, plastic injection of microstructurations.