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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P

DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P. Titre Etude de la diffusion Brillouin stimulée dans les fibres optiques monomodes standard. Application aux capteurs de température et de pression. Sébastien Le Floch Laboratoire d’Opto-éLectronique de l’ISEB (DOLI)

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  1. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Titre Etude de la diffusion Brillouin stimulée dans les fibres optiques monomodes standard. Application aux capteurs de température et de pression. Sébastien Le Floch Laboratoire d’Opto-éLectronique de l’ISEB (DOLI) 20 rue Cuirassé Bretagne 29604 Brest 1

  2. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Sommaire • Motivations initiales • Principaux effets non-linéaires dans les fibres optiques • Génération de la diffusion Brillouin stimulée • Amplification de la diffusion Brillouin stimulée • Dispositif de laboratoire • Résultats expérimentaux • Conclusion & perspectives 2

  3. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Motivations initiales • Alternative au bathythermographe classique - Sonde = fibre optique standard - Mesures distribuées T et P  spectrométrie optique NL Raman / Brillouin 3

  4. V(x) Potentiel réel Parabole V(x) = K/2.x² F(x) = -K.x Modèle de Lorentz : Anharmonicité du potentiel : x DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Effets Non-Linéaires Fibres Optiques : - Génération 3ème harmonique, mélange 4 ondes - Réfraction NL 4

  5. Rayleigh Brillouin Stokes Brillouin anti-Stokes Raman Stokes Raman anti-Stokes E  0 E' h h h hs h has En Ei anti-Stokes Stokes Rayleigh DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Diffusions Inélastiques Spontanées Vibrations des molécules  Inhomogénéités  Diffusions Raman & Brillouin 5

  6. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Diffusion Brillouin Stimulée Origine de la stimulation : Electrostriction Propagation des ondes optiques et acoustique 6

  7. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Sommaire • Motivations initiales • Principaux effets non-linéaires dans les fibres optiques • Génération de la diffusion Brillouin stimulée • Amplification de la diffusion Brillouin stimulée • Dispositif de laboratoire • Résultats expérimentaux • Conclusion & perspectives 7

  8. Détecteur Fibre optique Laser Xenon Détecteur Ecran photographique Etalon F.P. Détecteur DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Expérience de Ippen et Stolen (1972) • Génération DBS avec PL<< 1W • Mesure B 8

  9. Electrostriction Interférences Bruit Langevin L - S =  Onde incidente L Ondes acoustiques  Onde Stokes S Diffraction DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Génération DBS-Force de Langevin • Source fluctuante distribuée 9

  10. Intensité IL=IL(0)e-z IS(z) z 0 L DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Equations Maxwell-Bloch Hypothèses : • Non-appauvrissement onde laser • Onde laser quasi-monochromatique (L<< B) • Régime stationnaire (=t+zn/c  1/B) • Atténuation des ondes optiques 10

  11. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Spectres Brillouin Stokes et anti-Stokes 11

  12. Gain Leff (km) DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Réflectivité-Puissance de seuil [2] • • Smith[1] Pth (mW) Leff [1] Smith, Applied Optics, 11 p1175, 1971 [2] Publication en cours Optics Letters 12

  13. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Sommaire • Motivations initiales • Principaux effets non-linéaires dans les fibres optiques • Génération de la diffusion Brillouin stimulée • Amplification de la diffusion Brillouin stimulée • Dispositif de laboratoire • Résultats expérimentaux • Conclusion & perspectives 13

  14. Chopper Laser pompe Laser sonde Lock-in Amp X Y Laser local Récepteur DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Expérience Shibata et al. (1986) • Courbe de gain Brillouin • Largeur Brillouin et dopage fibre 14

  15. • Petit Signal : • Conservation[3] : (état stationnaire) • Approximation :  Réflectivité [4] [3] Shen and Bao, Optics Comm. 152, pp65-70, 1998 [4] Publication en cours Optics Letters DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Amplification de la DBS • Equations Brillouin couplées : 15

  16. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Saturation du Gain-Réflectivité PS(0) (mW) PP(L) (mW) PP(0) (mW) PP(0) (mW) R=IS(0)/IP(0) L = 2km,  = 0,5dB/km PS(L) = 1W gB/Aeff = 0,14 (Wm)-1 G=g0IP(0)Leff 16

  17. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Sommaire • Motivations initiales • Principaux effets non-linéaires dans les fibres optiques • Génération de la diffusion Brillouin stimulée • Amplification de la diffusion Brillouin stimulée • Dispositif de laboratoire • Résultats expérimentaux • Conclusion & perspectives 17

  18. générateur RF isolateur optique PC Laser InGaAsP 30 mW 10/90 MEO PC fibre test filtre A B • Une seule source laser • MEO  Sonde • Filtre  Détection signal Stokes analyseur de spectre DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Dispositif BOTDA[5] [5] Niklès et.al J. Lightwave Tech 15 pp 1842-1851, 1997 18

  19. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Génération signal sonde • MEO au V : P + fm P - fm 2fm 0 P Fréquence 19

  20. A) B) fm fm P P P + fm P + fm P- fm P - fm Raie latérale inférieure P-fm Raie latérale supérieure P+fm I (uW) DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Interaction pompe-sonde 20

  21. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Appauvrissement pompe et largeur Brillouin • Signal Stokes au premier ordre : B (MHz) IS(L) (W) 21

  22. exp{gB(, P)} signal sonde de la largeur à mi-hauteur  S   0 DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Influence des largeurs de raie laser [6] 22 [6] Publication à soumettre Applied Optics

  23. x • Coef. mélange : y Pompe x • Fibre MP :  dB  dB  dB gain nul gain nul  dB y x Sonde  • Fibre Standard : y gain nul gain nul  dB gain nul gain nul  dB Sonde  DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Polarisation des signaux optiques[7] [7] Deventer and Boot, J. Lightwave Tech 12 pp 585-590, 1994 23

  24. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Sommaire • Motivations initiales • Principaux effets non-linéaires dans les fibres optiques • Génération de la diffusion Brillouin stimulée • Amplification de la diffusion Brillouin stimulée • Dispositif de laboratoire • Résultats expérimentaux • Conclusion & perspectives 24

  25. GB (MHz) T (°C) DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Electrostriction et Température 25

  26. Cryostat Source LASER Fibre test Alimentations MEO Circulateur Alimentation LASER Analyseur de spectres -Isolateur -Coupleur 10/90 Modulateur électro-optique (MEO) Générateur RF DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Expérimentation CERN 26

  27. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Fréquence Brillouin et Température B B (GHz) °C B K K 27

  28. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Largeur Brillouin et Température B (MHz) B (MHz) K K • Max Absorption Tmax= 110 K 28

  29. • Cristal Quartz • Silice amorphe[5] V E atome silicium atome oxygène atome silicium atome oxygène E0  [5] Hunklinger et Arnold, 1976 d 1 2 3 DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Structure SiO2 29

  30. Ln() 1/Tmax K DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Modèle théorique-paramètres expérimentaux • Barrières : • Paramètres V0 et 0 : Q-1 103 30

  31. P (bar) DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Largeur-fréquence Brillouin et Pression B (GHz) B (MHz) • B : constante • B : CP = -0,091MHz/bar P (bar) 31

  32. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Conclusion • Génération DBS avec Atténuation * Puissance de Seuil • Amplification DBS * Résolution Equations Couplées * Influence Largeurs Raies Laser sur CGB • Capteur Température et Pression * Premier Capteur FO Très Basses Températures * Modèle Théorique Friction Interne * Nouveau Capteur Brillouin Hautes Pressions 32

  33. DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Perspectives • Capteur FO Basses Températures * Mesures Brillouin T 0,1 K * Gain Brillouin-Electrostriction * Application CERN... • Capteur FO Pression * Hautes Pressions P  1000 bars * Linéarité Fréquence Brillouin ? * Fibres Spéciales * Application Océanographie... 33 33 33 33

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