Les modes de résonance acoustique dans les fibres

UNIVERSITE LILLE 1
SCIENCES ET TECHNOLOGIES
THESE DE DOCTORAT
présentée pour l’obtention du grade de
DOCTEUR EN SCIENCES de l’Université Lille 1
dans la spécialité :
Optique et Lasers, Physico-Chimie, Atmosphère
par
Michel DOSSOU
Les modes de résonance acoustique dans
les fibres optiques microstructurées -
Applications aux capteurs répartis
soutenue le 07 avril 2011 devant le jury composé de:
M. Yves JAOUEN TELECOM ParisTech Rapporteur
M. Pierre FERDINAND CEA LIST Rapporteur
M. Jean RINGOT OSYRIS Examinateur
M. Yves QUIQUEMPOIS Université Lille 1 Examinateur
M. Georges WLODARCZAK Université Lille 1 Président du jury
M. Pascal SZRIFTGISER Université Lille 1 Directeur de thèse
Thèse de Michel Dossou, Lille 1, 2011
© 2011 Tous droits réservés.
http://doc.univ-lille1.fr

Thèse de Michel Dossou, Lille 1, 2011
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Cette thèse a été réalisée d’octobre 2007 à octobre 2010 au sein du laboratoire de
Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM), Unité Mixte de Recherche (UMR)
8523 du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) dirigée par le Professeur
Georges WLODARCZAK. Elle se trouve dans les locaux de l’Unité de Formation et de
Recherche (UFR) de Physique de l’Université Lille 1 (France).
Sous la direction de Pascal SZRIFGISER, j’ai été rattaché à l’équipe "Chaos quan-
tique" du groupe "Atomes froids" et à l’Ecole Doctorale : Sciences de la Matière, du
Rayonnement et de l’Environnement (SMRE).
La thèse a été cofinancée par le CNRS et la Région Nord Pas-de-Calais (France).
Résumé
Ce travail de thèse rassemble nos résultats d’étude sur l’utilisation des modes de
résonance acoustique pour réaliser des capteurs répartis à base des fibres à cristaux pho-
toniques (Photonic Crystal Fibres : PCF).
Tout d’abord, nous avons démontré qu’à l’heure actuelle, il est difficile voire im-
possible de mesurer en rétrodiffusion les modes acoustiques transverses dans une fibre
optique. Ces modes dont la fréquence est inférieure à 2 GHz, ont été mesurés dans une
boucle non linéaire sur une PCF, une fibre conventionnelle et une fibre à dispersion déca-
lée. Les différents spectres montrent une dépendance à la structure transverse des fibres.
Ensuite, nous avons mis au point un réflectomètre Brillouin (Brillouin Optical Time
Domain Reflectometer : BOTDR) permettant de suivre en temps réel le spectre Brillouin
le long d’une fibre avec une résolution spatiale de l’ordre d’une dizaine de mètres. Il est
particulièrement capable de discriminer différents modes présents dans le spectre Brillouin.
La comparaison des spectrogrammes obtenus sur différentes structures transverses de
fibres, confirme que l’existence de multipics Brillouin dans les PCF est liée au très petit
cœur (dont le diamètre est de l’ordre de la longueur d’onde de mesure) de la fibre.
Enfin, toujours dans l’optique de mieux observer le spectre Brillouin réparti, nous
avons développé un outil d’analyse Brillouin vectorielle permettant de cartographier avec
précision les modes Brillouin hybrides grâce à la complémentarité du spectrogramme de
phase. Les mesures réalisées sur une PCF dont le diamètre varie linéairement de 3,5 µm
à 2,6 µm montrent un second mode Brillouin dont la fréquence varie à raison de -118,2
MHz/ µm.
Mots-clés : modes acoustiques, diffusion non linéaire, diffusion Brillouin, fibre à
cristaux photoniques, mesures réparties, capteurs à fibres.
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Abstract :
Acoustic modes in photonic crystal fibres for distributed optical fibres sensors
applications.
This thesis deals with the results of our study on the use of acoustic resonance modes
to achieve distributed sensors based on photonic crystal fibres (Photonic Crystal Fibres :
PCF).
First, we demonstrated that at present it is difficult to measure backscattered trans-
verse acoustic modes in an optical fibre. These modes whose frequency is below 2 GHz have
been measured in a loop on a nonlinear PCF, a conventional fibre and a dispersion-shifted
fibre. The different spectra show a dependence on the fibres cross section structure.
Then we developed a Brillouin reflectometer (Brillouin Optical Time Domain Re-
flectometer : BOTDR) to monitor in real time the Brillouin spectrum along a fibre with
a spatial resolution of about a dozen meters. It is particularly capable of discriminating
between different modes present in the Brillouin spectrum. Comparison of spectrograms
obtained on different transverse structures, confirms that the existence of Brillouin mul-
tipeak on PCF is linked to the very small core (with a diameter of about the wavelength
of measurement) of the fibre.
Finally, in order to better observe the distributed Brillouin spectrum, we have de-
veloped a vector Brillouin optical time domain analyzer for high-order acoustic modes to
accurately map the Brillouin hybrid modes with the complementary phase of the spec-
trogram. The measurements taken on a PCF whose diameter varies linearly from 3.5 µm
to 2.6 µm show a second Brillouin mode whose frequency varies as -118.2 MHz/ µm.
Keywords : acoustic modes, nonlinear optics, Brillouin scattering, photonic crystal
fibres, distributed measurement, optical fibre sensors.
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REMERCIEMENTS
Je remercie Pascal SZRIFTGISER de m’avoir fait confiance en me proposant ce
sujet de thèse. Je tiens à souligner son rôle déterminant dans mon encadrement. Son
acharnement au travail et sa disponibilité m’ont aidé dans la réussite de ce travail de
recherche.
Travailler avec Denis BACQUET a été un réel plaisir ; il n’a ménagé aucun effort
malgré les difficultés rencontrées. Je n’oublierai pas Marc LEPARQUIER pour notre brève
collaboration.
Je remercie MM. Yves JAOUEN (TELECOM ParisTech), Pierre FERDINAND
(CEA LIST), Jean RINGOT (OSYRIS), Georges WLODARCZAK (Université Lille 1)
et Yves QUIQUEMPOIS (Université Lille 1) pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail
et pour avoir accepté d’être membres du jury de soutenance. Yves QUIQUEMPOIS m’a
éclairé sur la compréhension de la propagation des ondes optiques dans les fibres micro-
structurées. Nos nombreuses discussions ont été bénéfiques.
Toute la partie expérimentale de ce travail ne saurait être réalisée sans l’aide de
l’atelier d’électronique que je remercie ici à travers Michel GAMOT et Hervé DAMART.
J’adresse mes amitiés aux anciens thésards Ludo, Maxence, Clément, Adriana et
François ainsi qu’aux autres thésards Sébastien, Nicolas, Paul, Vincent, Béatrice, Nazek,
Matthias, Bénoît, Imane et Mamadou. Je n’oublie pas Saliya, Jean-françois, Ihsan, Hi-
cham, Manu, Florent et Quentin.
L’occasion m’a été offerte durant ces années de recherche de participer aux enseigne-
ments universitaires tout d’abord sous la direction de Nicole SEMMOUD à Télécom Lille
1 et ensuite avec Brigitte POUILLY à l’Institut Universitaire de Technologie A (IUT)
de Lille 1. Je tiens à les remercier pour la confiance qu’elles m’ont accordée et la bonne
ambiance de travail.
La vie nous réserve de belles surprises. En effet, toute cette belle aventure a débuté
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