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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
TitreTitre
Etude de la diffusion Brillouin stimulée dans les fibres Etude de la diffusion Brillouin stimulée dans les fibres optiques monomodes standard. Application aux optiques monomodes standard. Application aux
capteurs de température et de pression.capteurs de température et de pression.
Sébastien Le Floch
Laboratoire d’Opto-éLectronique de l’ISEB (DOLI)
20 rue Cuirassé Bretagne 29604 Brest
1
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
SommaireSommaire
• 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
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Motivations initialesMotivations initiales
• Alternative au bathythermographe classique
- Sonde = fibre optique standard
- Mesures distribuées T et P
spectrométrie optique NL Raman / Brillouin
3
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Effets Non-LinéairesEffets Non-Linéaires
Modèle de Lorentz : E~
P~ )1(
0L
Fibres Optiques : 0)2(
)3( - Génération 3ème harmonique, mélange 4 ondes
- Réfraction NL Innn 20
DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
...P~
P~
...E~
E~
E~
E~
E~
:P~ )3()2()3()2(
0NL
Anharmonicité du potentiel :
Potentiel réel
V(x)
ParaboleV(x) = K/2.x²F(x) = -K.x
x
4
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Diffusions Inélastiques SpontanéesDiffusions Inélastiques Spontanées
Vibrations des molécules Inhomogénéités Diffusions Raman & Brillouin
DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
h
StokesRayleigh
E'
Ei
E
En
anti-Stokes
h h hs h has
0
Rayleigh
Ramananti-Stokes
RamanStokes
Brillouin anti-Stokes
Brillouin Stokes
L
aB
nv2
5
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Diffusion Brillouin StimuléeDiffusion Brillouin Stimulée
Ep
Origine de la stimulation : Electrostriction
Propagation des ondes optiques et acoustique
2tot
2
2
22a2
2
2B
2
2
2iNL
2
02i
2
2
2
2i
2
z
E~
8z
~v
z
~
tqt
~
)S,Li(t
P~
t
E~
c
n
z
E~
~E~
P~
0NL
8
Ep
2
st
B
2
ASLAB
LESSS
0
LESEL
LL
16
qgetfEEig
2t
EigE2t
E
c
n
z
E
nc4getEigE
2t
E
c
n
z
E
6
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
SommaireSommaire
• 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
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Expérience de Ippen et Stolen Expérience de Ippen et Stolen (1972)(1972)
• Génération DBS avec PL<< 1W
• Mesure B
Fibre optique
Ecranphotographique
Détecteur
Détecteur
Laser Xenon Détecteur
Etalon F.P.
8
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Génération DBS-Force de LangevinGénération DBS-Force de Langevin
• Source fluctuante distribuée
)'tt()'zz(Q)'t,'z(f)t,z(f,0)t,z(favecf2tB
BruitLangevin
ElectrostrictionInterférences
Diffraction
Ondesacoustiques
Ondeincidente L
OndeStokes S
L - S =
9
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Equations Maxwell-BlochEquations Maxwell-Bloch
Hypothèses :
• Non-appauvrissement onde laser
• Onde laser quasi-monochromatique (L<< B)
• Régime stationnaire (=t+zn/c 1/B)
• Atténuation des ondes optiques
fe)0(EEig2
E2
e)0(Eigz
E
2/zLSA
B
S2/z
LES
z
Intensité
0 L
IL=IL(0)e-z
IS(z)
10
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Spectres Brillouin Stokes et anti-StokesSpectres Brillouin Stokes et anti-Stokes
L
effL
2B
2
2B
effL0Beff
SAS
L0L
2B
2
2B
effL0Beff
SS
e1L,G/1e
2/
2/L)0(IgexpG/11
A
kT),0(I
/)0(IgG,G/11G/1e2/
2/L)0(Igexp
A
kT),0(I
km/dB4,0etkm5L,mW10P,
2/
2/L)0(Igexp1e
A
kT),0(I
12/
2/L)0(Igexpe
A
kT),0(I
L
2B
2
2B
effL0L
Beff
SAS
2B
2
2B
effL0L
Beff
SS
Coefficient gain Brillouin g0 2.10-11 m/WLargeur Brillouin
B/2 30 MHzFréquence Brillouin
B/2 11 GHzAtténuation (1,55 m) 0,2 dB/km
Aire effective Aeff(4,5 m)2
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Réflectivité-Puissance de seuilRéflectivité-Puissance de seuil
2/32/1
GL
spG
eLeR•
• Smith[1] eff0
effth Lg
A21)0(P
[1] Smith, Applied Optics, 11 p1175, 1971
eff0th LLnGG eff
30
effeff0th
L10g
ALLnG0P
Gain
Leff (km)
Leff
Pth (mW)
12
[2] Publication en cours Optics Letters
[2]
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
SommaireSommaire
• 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
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Expérience Shibata et al. (1986) Expérience Shibata et al. (1986)
• Courbe de gain Brillouin
• Largeur Brillouin et dopage fibre
Laser sonde
Lock-in
Amp
Laser pompe
Laser localX Y
Récepteur
Chopper
14
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Amplification de la DBS Amplification de la DBS
SPSBSS
PPSBPP
IIIgt
I
c
n
z
I
IIIgt
I
c
n
z
I
SPSBS
PPSBP
IIIgz
I
IIIgz
I
(état stationnaire)• Equations Brillouin couplées :
• Petit Signal : eff0PB
zS
0S zIgexpeII
• Conservation[3] : )1(IIII/gexpIIII 0SSP
0PB
0S
0PSP
[3] Shen and Bao, Optics Comm. 152, pp65-70, 1998
15
• Approximation : )Raman(eIIII z0S
0PSP
)2(zIIgexpeI
I
I
Ieff
0S
0PB
z2
P
S0P
0S Réflectivité [4]
[4] Publication en cours Optics Letters
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Saturation du Gain-Réflectivité Saturation du Gain-Réflectivité
L = 2km, = 0,5dB/km
PS(L) = 1W
gB/Aeff = 0,14 (Wm)-1
PS(0) (mW) PP(L) (mW)
PP(0) (mW) PP(0) (mW)
R=IS(0)/IP(0)
G=g0IP(0)Leff 16
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
SommaireSommaire
• 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
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Dispositif BOTDADispositif BOTDA[5][5]
[5] Niklès et.al J. Lightwave Tech 15 pp 1842-1851, 1997
Laser InGaAsP30 mW
A
isolateur optique
analyseurde spectre
10/90MEO
PC
PC
fibre testfiltre B
• Une seule source laser
• MEO Sonde
• Filtre Détection signal Stokes
générateurRF
18
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Génération signal sondeGénération signal sonde
• MEO au V : 1m&tsinmtcos2
Etcos
2
EE P
0P
0
0
2fm
P - fmP + fm
Fréquence
P
t2cost2cos8
m
2
Etcos
4
m
2
EPP
20
P
20
tcostcos2
m
2
EE PP
0
19
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Interaction pompe-sondeInteraction pompe-sonde
P + fmP - fm P
fm fm
P + fmP- fm P
A) B)
Raie latérale supérieure P+fmRaie latérale inférieure P-fm
I (uW)
20
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Appauvrissement pompe et largeur BrillouinAppauvrissement pompe et largeur Brillouin
• Signal Stokes au premier ordre : effPBeffPBeffSB
LS
S L)0(IgexpL)0(IgexpL)L(Ig1
e)L(I)0(I
IS(L) (W)
B (MHz)
21
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Influence des largeurs de raie laser Influence des largeurs de raie laser [6][6]
2G2/
2/L)0(Igexpe)L(I),0(I
2SPB
2
2SPB
effPPSB
B0
LSS
2
PB2
PBBeffP0
LS2
S2
SS
2/
2/2/L)0(Igexpe)L(I
2/
2/d),0(I
signal sonde de la largeur à mi-
hauteur S
exp{gB(, P)}
0
22
[6] Publication à soumettre Applied Optics
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Polarisation des signaux optiquesPolarisation des signaux optiques[7][7]
SSPBS
PSPBP
IIIgz
I
IIIgz
I
• Coef. mélange :
• Fibre MP : 0et1
• Fibre Standard : 3
1et
3
2
[7] Deventer and Boot, J. Lightwave Tech 12 pp 585-590, 1994
dB
Pompey
x
y
x
dB dB dBgain nul gain nul
Sonde x
Sonde
y gain nul gain nul gain nul gain nul dB dB
23
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
SommaireSommaire
• 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
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Electrostriction et TempératureElectrostriction et Température
T (°C)
GB (MHz)
K)T()T(GLI)T(g)T(Get)T(vnc
2)T(g Beff
0P0
BaL0
2
0
25
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Expérimentation CERNExpérimentation CERN
Cryostat
Circulateur
Alimentations MEO
AlimentationLASER
SourceLASER
Modulateur électro-optique
(MEO)
Analyseurde spectres
GénérateurRF
-Isolateur-Coupleur
10/90
Fibre test
26
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Fréquence Brillouin et TempératureFréquence Brillouin et Température
K
B
(GHz)
°C
K
B
B
27
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Largeur Brillouin et TempératureLargeur Brillouin et Température
• Max Absorption Tmax= 110 K
KK
B (MHz)B (MHz)
28
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Structure SiOStructure SiO22
• Cristal Quartz
atome silicium
atome oxygène
3
12
• Silice amorphe[5]
atome silicium
atome oxygène
[5] Hunklinger et Arnold, 1976
022
B
B
B
2
B0a
2
B
B
1Tk2hsec
Tk
1V,P.dVd
v
D
E
V
E0
d
)Arrhenius(e Tk/V0
B
29
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Modèle théorique-paramètres expérimentauxModèle théorique-paramètres expérimentaux
• Paramètres V0 et 0 : 1max
B
010 T
Tk
VLnLn
• Barrières : 0V/V
0e
V
PV,P
2
0B0
B
0
B12
0B0B
B
B
B ;V2
Tk
2
3;
V2
Tk
2
1,1F
1
VTk
Tk2C
Ln()
1/TmaxK
Q-1 103
30
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
Largeur-fréquence Brillouin et PressionLargeur-fréquence Brillouin et Pression
• B : constante
• B : CP = -0,091 MHz/barP (bar)
P (bar)
B (MHz) B (GHz)
31
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
ConclusionConclusion
• 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
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DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P
PerspectivesPerspectives
• 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...
33333333