Introduction Montage Résultats expérimentaux Résultats

Premiers résultats d’un spectromètre par transformation de Fourier entièrement fibré
Maxime Cadotte, Jérôme Genest
Centre d’optique, photonique et laser, Pavillon Adrien-Pouliot, Université Laval, Québec, G1K 7P4
Introduction
Résultats expérimentaux
Les spectromètres par transformation de Fourier (STF) permettent d‘extraire l’information spectrale contenue dans
une source de lumière inconnue. Ils sont utilisés dans de nombreux domaines, tels l‘aérospatiale, l’environnement,
Résultats expérimentaux (suite)
Interférogramme du laser de référence à 1550 nm et suivi du signal piézoélectrique
le semiconducteur et la pétro-chimie pour détecter des gaz (ozone, H2O, CO2, CFC) ou des impuretés (métaux,
Dispersion inégale dans les deux bras optiques
On observe une dépendance de la position du ZPD (zero path difference) en fonction de la
longueur d’onde:
dopants). Les STF conventionnels sont basés sur l‘interférométrie de Michelson ou de Mach-Zehnder. En
confinant la lumière à l‘intérieur d’une fibre optique, il est possible de réduire considérablement la taille de
l‘instrument et d’éliminer les problèmes d‘alignement des miroirs. Pour faire varier le chemin optique dans l’un des
bras du montage, la fibre est enroulée autour d‘un piézoélectrique, modulé en tension. Ce type de moteur permet
de décupler la vitesse de prise des interférogrammes, ouvrant la voie à de nouvelles applications des
spectromètres, notamment dans le domaine des télécommunications, pour l’analyse de signaux SONET.
Le montage était en configuration de
Michelson pour produire cette figure. La
vitesse du piezoélectrique est de 1 Hz et
l’échantillonnage est de 400 kHz.
Les franges d’interférences du laser sont
excellentes
tout
au
long
de
l’in te rf é ro gra m m e , à l’e xce p tio n d e s
extrémités, où le changement de direction
du piezoélectrique est facilement identifiable.
Montage
Configuration de Michelson
Interférogramme et spectre d’un laser Fabry-Perot centré autour de 1310 nm
- Montage en configuration de Mach-Zehnder
- Un coupleur WDM 1310 / 1550 nm a été ajouté pour permettre aux deux LEDs centrées en 1310
et 1550 nm d’être couplées avec la diode à 980 nm. Le signal de cette dernière a été capté par
un photodétecteur au silicium.
Laser de référence (1550nm)
Laser Fabry-Perot (1310nm)
Note: le spectre du
résultat expérimental a
été aligné sur celui de
l’OSA
- Physiquement, la distance entre chaque ZPD est de l’ordre de 500 µm.
- Hypothèse: la fibre optique utilisée dans le bras #1 de l’interféromètre a des propriétés
légèrement différentes de celle utilisée dans le bras #2.
- Un modèle théorique de la propagation d’une impulsion large bande dans un interféromètre
entièrement fibré a été développé et une différence de dispersion de l’ordre de 0.0007%
(∆n = 0.00001) permet d’expliquer cette dépendance.
Impact de la polarisation
Configuration de Mach-Zehnder
La sensibilité en polarisation du montage est évidente dans le spectre de la LED à 1310 nm, ainsi
que dans le gros plan sur les 3 diodes (non-symétrie des patrons d’interférence). Seule une faible
plage de longueurs d’onde peut être ajustée pour éliminer les effets de polarisation, par le biais du
contrôleur de polarisation.
Largeur de bande
- Montage en configuration de Michelson
- Vitesse du piézoélectrique: 10Hz
- Laser de référence: 1550nm.
Caractéristiques du montage
Étireur de fibre:
modèle 916 de la compagnie:
Canadian Instrumentation & Research
étirement maximal de 4 mm (pour 24 m de fibre)
WDM:
bande passante = ± 15 nm autour de 1310 et 1550 nm
Coupleur 2x2:
bande passante = ± 40 nm autour de 1310 et 1550 nm
Miroir de Faraday:
rotation de la polarisation de 45° + miroir
La polarisation de la lumière réfléchie par un miroir de Faraday est en
quadrature avec la polarisation de la lumière incidente. Ceci permet de
compenser les variations de polarisation dans le bras mobile et d‘obtenir un
interférogramme avec une visibilité constante à travers le chemin optique.
Résolution spectrale:
- On observe des pics “inversés” autour de 1304 et 1312 nm dans le spectre du laser Fabry-Perot.
Hypothèse: interférences destructives entre les différents modes de propagation dans la fibre (la fibre n’est pas parfaitement
monomode étant donné une faible biréfringence).
- Malgré l’absence d’algorithmes de correction de phase, le niveau de bruit est relativement faible à -30dB.
La largeur de bande de notre montage est limitée par:
- les multiplexeurs 1310 / 1550 nm
- les coupleurs 2x2
Dans des applications à bande passante restreinte, comme les télécommunications, ceci ne pose
pas de problème. Pour des applications utilisant des sources large bande toutefois, il serait
nécessaire de modifier le montage:
- remplacer les coupleurs optiques par des lames semi-réfléchissantes (au prix d’un pasage
fibre optique / air / fibre optique)
- utiliser un système de référence (laser et détecteur) à l’extérieur de la bande d’intérêt. La
fibre optique utliisée devient alors un élément critique étant donné que le seuil d’opération
monomode des fibres standards est d’environ 1260 nm (SMF-28).
Interférogramme et spectre d’une diode électro-luminescente, centrée autour de 1310 nm
Conclusion
1.5 cm-1 (0.3 nm) en mode Michelson
3 cm-1 (0.5 nm) en mode Mach-Zehnder
Les résultats obtenus à l‘aide d’un spectromètre par transformation de Fourier entièrement fibré sont forts
Fréquence de prise d’interférogrammes: < 20Hz
encourageants. La principale lacune du système actuel est le faible étirement de la fibre optique, ce qui limite la
résolution des spectres obtenus. Pour corriger ce problème, nous projetons de construire un étireur de fibre capa-
Algorithme de conversion spectrale
ble d‘atteindre ±10 cm de différence de chemin optique. Le changement de polarisation des sources lumineuses à
(méthode de Brault [1])
travers les deux bras de fibre optique est un autre problème à éliminer. Nous comptons utiliser de la fibre optique à
maintien de polarisation dans la prochaine version du montage pour réduire au maximum ce phénomène.
- Montage en configuration de Michelson
- Vitesse du piézoélectrique: 10Hz
- Laser de référence: 1550nm.
A noter qu’aucune correction de phase et/ou calibration n’a été implémenté dans cet algorithme pour
tenir compte de la dispersion dans la fibre optique.
- L’accord entre le spectre de référence et le résultat expérimental reste à être amélioré
Hypothèse: la combinaison miroir de Faraday + contrôleur de polarisation compense les effets de biréfringence dans la fibre seulement
pour une faible plage de longueurs d’onde. Contrairement au laser Fabry-Perot, la LED excède largement cette plage.
Références
[1] J.W. Brault, New approach to high-precision Fourier transform spectrometer design, Applied Optics, vol. 35,
No. 16, p. 2891-2896, (1996)
[2] P. Zhao, J.-M. Mariotti, et all., Performance analysis of an infrared single-mode all-fiber-optic Fourier-transform
spectrometer, Applied Optics, vol. 34, No. 21, p. 4200-4209, (1995)