Développement de composants transducteurs et de dispositifs aux fonctionnalités innovantes fondés sur la technologie des fibres microstructurées et des réseaux de Bragg

par Minh Châu Phan Huy

Thèse de doctorat en Électronique des hautes fréquences et optoélectronique

Sous la direction de Dominique Pagnoux.

Soutenue en 2006

à Limoges , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .


  • Résumé

    Ce travail s’inscrit dans le cadre du développement des Capteurs à Fibres Optiques fondés sur les fibres dites microstructurées. Les nombreux avantages inhérents à ces fibres spéciales issues de cette technologie innovante sont liés à la présence dans la gaine optique de canaux d’air parallèles à l’axe du guide. Tant les télécommunications que l’instrumentation peuvent tirer profit des nombreuses possibilités offertes par la conception ‘à la demande’ de ce type de guide, rendue possible par l’assemblage parallèle de tiges et de tubes de silice qui constituent autant de zones de la préforme à partir de laquelle sera réalisée la fibre microstructurée. Ainsi, il est envisageable d’utiliser l’interaction entre le champ électromagnétique de l’onde optique et les milieux liquides, voire solidifiés, présents dans lesdits canaux pour réaliser des transducteurs ou bien des modulateurs actifs de lumière par exemple. Au-delà, la conception de la fibre permet d’optimiser la sensibilité de mesure aux paramètres recherchés. Enfin, le recours à des réseaux de Bragg photo-inscrits dans le cœur de la fibre complète avantageusement la fonction transductrice des capteurs en rendant possible les mesures déportées et spectralement multiplexées. Ce manuscrit décrit la photo-inscription d’un réseau de Bragg à pas court et à traits droits, ou à traits inclinés, dans une fibre microstructurée et l’étude de la sensibilité de sa résonance spectrale en fonction de l’indice de réfraction d’un milieu inséré dans les canaux de la fibre, et ce pour plusieurs conceptions de fibres. Le principe de la mesure est de suivre le décalage spectral de la raie de Bragg en fonction de l’indice de réfraction du milieu présent dans les canaux. Dans un premier temps, une caractérisation des fibres microstructurées fabriquées par le consortium du projet MONTE CRISTO auquel cette recherche était adossée (fibre à 6 trous, puis à 18 trous), a été réalisée via l’inscription de réseaux de Bragg à traits droits et la comparaison entre les résultats expérimentaux d’une imagerie modale en bout de fibre avec ceux issus des modèles. Pour ce faire, en plus de l’utilisation du logiciel commercial FEMLab (de type éléments finis) un outil de simulation, fondé sur la méthode des fonctions localisées, a été mis en œuvre au sein du laboratoire. Celui-ci permet, en outre, de déterminer la sensibilité d’un profil de fibre donné à l’indice de réfraction du milieu dans les canaux (les sensibilités obtenues respectivement avec les fibres à 6 et 18 trous pour un produit présent dans les canaux d’indice de réfraction proche de 1,33 sont de 4×10-3 u. I. R/ pm et 7×10-4 u. I. R/ pm). Cet outil nous a ensuite permis de modéliser la conception d’un profil de fibre microstructurée spécifique constitué de trois gros canaux proches du cœur. Cette constitution améliore grandement l’interaction entre le champ électromagnétique et le milieu inséré et in fine accroît la sensibilité de la résonance de Bragg à l’indice de réfraction (sensibilité de 3×10-5 u. I. R/ pm pour un indice de réfraction de l’ordre de 1,33). Dans un second temps, différents fluides d’indices de réfraction connus ont été introduits par capillarité dans les canaux de la fibre. L’évolution spectrale du réseau de Bragg photo-inscrit dans le cœur (dopée Ge) de la fibre microstructurée avec l’indice de réfraction a ainsi permis de déterminer finement la sensibilité de mesure. Une autre approche, fondée sur l’emploi d’un réseau de Bragg à traits inclinés a également été investiguée. Celle-ci, complémentaire de la première (consistant à modifier le profil de la fibre et donc ses caractéristiques optogéométriques), a permis, à nouveau, d’augmenter significativement la sensibilité de mesure en considérant l’évolution spectrale avec l’indice de réfraction d’un des modes d’ordre supérieur du réseau. Au delà, un dispositif réfractométrique ‘réversible’ sur plusieurs cycles permettant l’insertion puis l’extraction de liquides à analyser dans les canaux de la fibre, a été développé et caractérisé, démontrant ainsi la faisabilité de l’approche globale de mesure d’indices au sein des fibres microstructurées. En complément des mesures d’indice, une étude préliminaire a été réalisée afin de mettre en évidence la possibilité d’accroître la sensibilité thermique d’un réseau de Bragg à pas droits inscrit dans une fibre microstructurée, en insérant dans ses canaux un fluide dont l’indice est supérieur à une valeur ‘seuil’ fonction de la géométrie du guide. Ainsi il est possible de doubler la sensibilité thermique du réseau de Bragg, pour un profil de fibre et un indice de réfraction donné. Ainsi, la voie est désormais ouverte à toute une ingénierie de capteurs mettant en œuvre : réseaux de Bragg (droits ou en angle), fibres microstructurées optimisées et dispositifs fluidiques d’insertion ou d’extraction des liquides transducteurs ou à analyser. Les domaines d’emploi potentiel recouvrent de nombreux secteurs comme la biologie, la chimie ou l’environnement.

  • Titre traduit

    Development of components transducers and devices with innovating functionalities, founded on the technology of microstructured fibres and the Fiber Bragg Gratings


  • Résumé

    This work lies within the scope of optical fibers sensors development based on microstructured fibres. The inherent advantages of these special fibres, resulting from the innovative technology, are due to related to the presence of air channels within the cladding. Telecommunication industry as well as instrumentation can draw profit from possibilities offered by “custom” design of this type of guide, achieved through the stack of rods and silica capillaries, each of them constituting many zones of the preform from which would be manufactured microstructured fibers. Thus, it is possible to use the interaction between the electromagnetic field of the optical wave and the liquid medium, even solidified, present in the aforementioned channels to produce transducers or active light modulators for example. Beyond, fibre design makes it possible to optimize the measurement sensitivity to the required parameters. Finally, taking advantage of Bragg grating photowritten in the fibre core adds transducing functionality through spectrally multiplexed remote measurements. This manuscript describes short-period Fiber Bragg Grating and Tilted Fiber Bragg Grating photowriting in a microstructured fiber and sensitivity study of its spectral resonance shift according to the refractive index of the medium inserted into the fiber holes, and this for several fiber designs. The principle of measurement is to follow the wavelength shift of Bragg resonance according to the refractive index of the medium inserted into the holes. Initially, microstructured fiber characterization, manufactured through the MONTE CRISTO project consortium (6-hole fiber, then 18-hole fiber) was carried out through the Fiber Bragg grating photowriting and the cross comparison between experimental and simulation results of a modal analysis. So, adding to the commercial software FEMLab (finite-elements type) a dedicated simulation tool based on the localized function method has been developed. For a given design of hole geometry, it is possible to find out the sensitivity versus refractive index of the medium inserted in the channels (sensitivities obtained, respectively with 6 and 18-hole fibers, are 4×10-3 r. I. U/ pm and 7×10-4 r. I. U/ pm, with a refractive index close to 1,33). This tool allowed us to model and design a specific microstructured fibre made up of three large channels close to the core. This design of hole geometry largely improved the interaction between the electromagnetic field and the medium inserted and in fine increased the sensitivity of the Bragg grating resonance to the refractive index (sensitivity of 3×10-5 r. I. U/ pm for a refractive index close to 1,33). In a second time, fluids with calibrated refractive index were inserted by capillarity into the fiber channels. The spectral evolution versus index of refraction of the Bragg grating photowritten in the Ge doped core microstructured fiber made it possible to determine precisely the spectral sensitivity to the refractive index. Another approach based on Tilted Fiber Bragg Grating was also investigated. This initiative (consisting in modifying the fibre profile and thus its optogeometric characteristics), as a complement to the first solution, allows to significantly increase the measurement sensitivity by considering the spectral evolution of one of the high order mode with the index of refraction. Beyond, a multi-cycle ‘reversible’ refractometric device, allowing insertion and extraction of liquids to be analyzed in the fibre channels was developed and characterized, demonstrating the feasibility of the global solution of refractive index measurements with microstructured fibers. In complement to index measurements, a preliminary study was carried out to highlight the possibility to increase the thermal sensitivity of a Fiber Bragg Grating photowritten in a microstructured fibre, while inserting into channels a fluid whose index is higher than a threshold value depending on hole geometry. As a consequence, doubling the thermal sensitivity of the Bragg grating is achievable for a fibre profile and a given refractive index. In the future the way is wide open for a new type of sensors based on Fiber Bragg gratings (or Tilted Fiber Bragg gratings), optimized microstructured fibers and fluid devices to insert or extract liquids used as transducers themselves or to be analyzed. The fields of potential application cover numerous sectors such as biology, chemistry or environment analysis.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (243 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 223-237

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  • Bibliothèque : Université de Limoges (Section Sciences et Techniques). Service Commun de la documentation.
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