SOURCE ACCORDABLE EN LONGUEUR D`ONDE POUR LE

SOURCE ACCORDABLE EN LONGUEUR D’ONDE POUR LE DEMULTIPLEXAGE
A HAUTE CADENCE DE CAPTEURS A RESEAUX DE BRAGG
Mourad Ben Abdallah, Guillaume Laffont, Nicolas Roussel et Pierre Ferdinand
CEA, LIST, Laboratoire de Mesures Optiques, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
RÉSUMÉ
Cet article présente le développement d’une source accordable pour l’interrogation à
haute cadence de capteurs à réseaux de Bragg multiplexés en longueur d’onde. La
source réalisée permet à ce jour de balayer une plage de 85 nm, avec une puissance
moyenne de 1 mW, à une fréquence nominale comprise entre 20 kHz et 100 kHz
suivant le pilotage de l'interféromètre de Fabry-Perot accordable inséré dans la boucle.
Cette source a été utilisée pour interroger une ligne de capteurs à réseaux de Bragg, sur
une gamme de déformations de [0 ; 4000 µm/m].
MOTS-CLEFS : Laser ; Capteur à Fibres Optiques ; réseau de Bragg ; déformations
1. INTRODUCTION
Les Capteurs à Fibres Optiques (CFO) fondés sur la technologie des réseaux de Bragg [1]
offrent de nombreux avantages en termes de sensibilité, fiabilité, faible intrusivité, isolation
galvanique, ainsi que la possibilité de réaliser des mesures déportées à grande distance. Dans cette
étude, nous nous sommes intéressés aux systèmes d’interrogation de ces capteurs, qui doivent être
capables de mesurer des décalages spectraux très faibles tout en scrutant une fenêtre spectrale aussi
étendue que possible (plusieurs dizaines de nanomètres) de façon à adresser un grand nombre de
capteurs. De tels systèmes doivent pouvoir également interroger plusieurs fibres de mesure en
parallèle, et ce à des cadences pouvant atteindre quelques dizaines de kHz [2]. De nombreuses
approches ont été étudiées et mises en œuvre à ce jour pour implémenter cette fonction. Dans cette
étude, nous avons réalisé et caractérisé une source spectralement accordable, obtenue par filtrage et
amplification [3, 4] au sein d’une cavité en anneau.
2. SOURCE ACCORDABLE PAR FILTRAGE ET AMPLIFICATION : PRINCIPE & FONCTIONNEMENT
SOA
Isolateur
10 km de
fibre
Electronique de
commande
Isolateur
40
Coupleur
60-40
60
FP-TF
Fig. 1 : Schéma de principe de la source accordable en longueur d’onde.
La source accordable en longueur d’onde utilise une configuration en anneau et se compose
d’un amplificateur semi-conducteur (SOA) avec deux isolateurs intégrés disposés de part et d'autre,
d’un filtre Fabry-Perot (FP) accordable et d’un coupleur optique présentant un rapport 60-40. Il
comporte également une fibre optique monomode d’environ 10 km de long dont le rôle est de
permettre une synchronisation de la cadence de balayage du FP avec l'inverse du temps de parcours
au sein de la cavité. La figure 1 illustre le principe de réalisation de cette source accordable en
longueur d’onde fonctionnant par filtrage et amplification. Le filtre FP est ici accordé en longueur
d’onde à l’aide d’un signal de commande sinusoïdal de période égale au temps de parcours ∆τ de la
cavité en anneau, ou à l’un de ses sous-multiples. Par conséquent, à chaque instant ti, la
transmission spectrale du FP est à nouveau centrée sur la longueur d’onde précédemment transmise
à ti – N.∆τ. Ainsi, à chaque tour, le FP ne laisse passer que cette raie, en supprimant tout signal
rapporté lors de l’amplification, par le SOA, aux autres longueurs d’onde.
a)
b)
Fig. 2 : a) Spectre du signal en sortie de la source pour une fréquence de balayage du filtre FP fixée à 20 kHz.
b) Spectre du signal en sortie de la source pour différentes fréquences de balayages du filtre.
Le spectre en sortie de la source, illustré par la figure 2(a), est obtenu pour une fréquence de
balayage du FP de 20 kHz. Ce dernier est commandé par un signal sinusoïdal d'amplitude 18 Vc-c,
donnant lieu à une largeur spectrale en sortie de 85 nm, sur la plage comprise entre 1530 nm et 1615
nm. Le courant de pilotage du SOA (500 mA) permet d’obtenir une puissance moyenne intégrée de
1 mW. A l’aide d'un analyseur de spectre optique (OSA), nous avons également obtenu les spectres
d'émission pour la fréquence de balayage du filtre (20 kHz) et pour toutes les autres harmoniques (N
> 1), spectres superposés sur la figure 2(b). Nous constatons l’apparition de pics de puissance aux
extrémités de chaque spectre, induits par la forme sinusoïdale du signal de commande et donc par la
diminution, à ces extrémités, de la vitesse de balayage du FP. Au final, la bande spectrale prend les
valeurs de 85, 70, 70, 60 et 40 nm respectivement aux fréquences 20, 40, 60, 80, et 100 kHz. Cette
chute de la plage spectrale balayée par la source vs la cadence de balayage est liée aux fréquences
de coupure du filtre FP et de son électronique de pilotage.
3. INTERROGATION D’UNE LIGNE DE CAPTEURS A FIBRE OPTIQUE A RESEAUX DE BRAGG
La figure 3 illustre le schéma du montage visant l’interrogation d’un CFO à réseaux de
Bragg. Pour interroger cette ligne de capteurs nous avons utilisé notre source accordable en
longueur d’onde par filtrage et amplification, avec une fréquence de balayage fixée ici à 20 kHz.
Source accordable
RdB1 RdB2
…….
RdB6
[Spectromètre] ou
[Oscilloscope+Photo-détecteur]
Fig. 1 : Schéma de principe du système d’interrogation pour capteurs à réseaux de Bragg.
La source est reliée à un circulateur qui permet d’interroger en réflexion une ligne de mesure
composée de 6 réseaux de Bragg standard, photo-inscrits dans une fibre de type SMF28. Le signal
réfléchi par ceux-ci est à son tour dirigé vers l’OSA, ainsi qu'un oscilloscope suivi d'un photodétecteur en InGaAs.
353 g
Fig. 4 : a) Réponse temporelle du capteur en absence de sollicitations mécaniques, b) Réponse spectrale d’un seul
réseau en présence de différents niveaux de déformations (induites par des poids placés en extrémité de fibre).
RdB
.
Masse
Déformations
induites [µm/m]
RdB1
RdB2
RdB3
RdB4
RdB5
RdB6
[pm]
[pm]
[pm]
[pm]
[pm]
[pm]
61,2 g
153,4 g
353,2 g
699
1752
4033
821
2057
4193
832
2015
4194
821
2055
4185
823
2059
4189
821
2061
4195
825
2063
4202
Sensibilité
moyenne
[pm/(µm/m)]
1,18
1,17
1,04
Tableau 1 : Décalage spectral, par rapport à la longueur d’onde de Bragg au repos, en fonction du niveau de
déformation appliqué.
Comme l’illustre la figure 4(a), nous détectons sur l’oscilloscope les signaux réfléchis qui
consistent en une série de pics dans le domaine temporel. Ces pics représentent les spectres en
réflexion des six réseaux de Bragg inscrits le long de la fibre, en une même zone de la ligne de
mesure. Cette expérience a été, dans un premier temps, réalisée en l’absence totale de sollicitation
mécanique. La largeur à 3 dB de chaque pic est de 150 pm. Dans un second temps, nous avons
appliqué trois niveaux de déformations successifs en suspendant différentes masses (61 g, 153 g et
353 g) au bout de la ligne de mesure. La figure 4(b) illustre la réponse spectrale, non filtrée, d’un
seul des 6 réseaux pour cette série de déformations induites. Nous pouvons également remarquer
(Cf. tableau 1), que cette réponse diffère quelque peu d’un réseau à l’autre (de quelques picomètres), ce qui est dû à un manque de précision dans la détection de la longueur d’onde centrale des
pics de Bragg du fait du bruit provenant des fluctuations rapides d’intensité de la source accordable.
CONCLUSION
Nous avons réalisé une source rapide accordable en longueur d’onde par amplification et
filtrage sur une plage de 85 nm, de puissance de sortie de 1 mW. Cette source nous a permis
d’interroger une ligne de mesure comportant six réseaux de Bragg. Les améliorations futures
viseront entre autres à augmenter la puissance en sortie, la fréquence de balayage et la plage
spectrale, ainsi qu'à réduire le bruit de mesure.
REFÉRENCES
[1] P. Ferdinand, Capteurs à fibres optiques à réseaux de Bragg, Techniques de l’Ingénieur, R 6735, pp. 124, déc. 1999
[2] P. Ferdinand, S. Magne, G. Laffont, V. Dewynter, L. Maurin, C. Prudhomme, N. Roussel, M. Giuseffi,
S. Maguis, Optical fiber sensors from laboratory to field trials, Applications and trends at CEA LIST. Fiber
and Integrated Optics, Vol. 28, Nr 1, 2009
[3] E. J. Jung, C. Kim, M. Y. Jeong, M. K. Kim, M. Y. Jeon, W. Jung and Z. Chen, Characterization of FBG
sensor interrogation based on a FDML wavelength swept laser, Optics Express, Vol.16, No. 21, 2008
[4] R. Huber, M. Wojtkowski and J. G. Fujimoto, FDLM: A new laser operating regime and applications for
optical coherence tomography, MIT, Cambridge, Optics Express, Vol. 4, No. 8, 2006.