ESYCOM LISIS
Sujet de thèse transverse
Étude d’un système de surveillance de structures bas coût par fibres optiques,
reposant sur l’effet Brillouin et analyse des paramètres influents par méthode statistique
Contexte de l’étude
L’utilisation de capteurs distribués à fibres optiques délivrant une information en chaque point de la
fibre constitue un outil majeur des stratégies de surveillance de structures à grande échelle en
génie civil.
Le phénomène de diffusion Brillouin spontanée (ou stimulée), dans le domaine des capteurs à
fibres optiques, fait l’objet d’une forte investigation scientifique depuis les années 1990 [1].
Les solutions industrielles proposées reposent sur l’analyse spectrale de l’onde de Stokes
rétrodiffusée tout le long de la fibre. Ainsi, un dispositif B-OTDR (Brillouin Optical Time-Domain
Reflectometer) peut réaliser une mesure du décalage de la fréquence Brillouin (de l’ordre de
11GHz autour de 1.55µm) avec une résolution spatiale métrique et une sensibilité des mesures de
déformation et de température respectivement de l’ordre de 10µm/m et 0.5°C [2], mais pour un
coût élevé (de l’ordre de 100k€) ce qui limite leur utilisation.
Les différents travaux antérieurs et actuels réalisés par I’Ifsttar [3-5] et les compétences en
modélisation électrique des composants optiques et optoélectroniques au sein de l’Esycom [6]
permettront d’étudier un système bas coût à hautes performances. Ce système repose sur
l’utilisation d’une diode laser bi-mode à la longueur d’onde de 1,55 µm. Des études d’optimisation
sur les paramètres de ce laser seront menées afin d’analyser les performances du système.
D’autre part, une méthode de post-traitement sur les spectres rétrodiffusés sera développée afin
d’améliorer la résolution spatiale, le long de la fibre optique, liée aux effets de bruit du système.
Objectifs de la thèse :
Il s’agit de concevoir et caractériser un système bas coût innovant pour la détection des variations
de température ou de déformation dans un bâtiment, de résolution à l’état de l’art, reposant sur la
mesure du décalage du spectre Brillouin vers les basses fréquences (<1GHz).
L’intérêt de l’approche de modélisation des transducteurs électro-optiques et fibre optique est de
pouvoir simuler le système d’optique hétérodyne et de mener à bien son optimisation en fonction
de différents paramètres. Cet axe sera mené conjointement au sein d’Esycom-Le Cnam
(modélisation) et de l’Ifsttar (caractérisation). Le modèle électrique du laser bi-mode sera
développé en s’appuyant sur les études précédentes réalisées à Esycom pour des lasers
monomodes DFB. Pour ceci, des caractérisations optique et électrique de la source seront
menées à l’Ifsttar. Le modèle de la fibre optique existant (dispersion chromatique, effet non-
linéaire) sera complété pour prendre en compte les phénomènes inélastiques de l’effet Brillouin et
doit être de type distribué afin d’avoir la position spatiale de la variation de température ou de
déformation. Cet aspect sera mené par l’équipe d’Esycom.
A l’issue de la modélisation, le système sera simulé et validé par l’expérimentation avec une
solution d’hétérodynage optique à base d’un laser DFB. Cela consiste à mélanger le signal de
rétrodiffusion Brillouin avec un oscillateur local optique (OLO) pour détecter le signal Brillouin à
une fréquence d’environ 11 GHz. Le système avec le laser bi-mode sera ensuite étudié par
simulation. Un levier supplémentaire sera mené pour une optimisation du système reposant sur
l’étude des différents paramètres influents et leurs impacts sur les performances du système par le
développement d’une approche statistique, au sein d’Esycom Université Paris Est Marne La Vallée
[7].
La fin de thèse portera sur la validation expérimentale du système avec le laser bi-mode dont la
fréquence de battement pourra être accordée de sorte d’être proche de la fréquence Brillouin. Une