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

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


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


Motivations initialesMotivations initiales

• Alternative au bathythermographe classique

- Sonde = fibre optique standard

- Mesures distribuées T et P

spectrométrie optique NL Raman / Brillouin

3

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


...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

Diffusions Inélastiques SpontanéesDiffusions Inélastiques Spontanées

Vibrations des molécules Inhomogénéités Diffusions Raman & Brillouin


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


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


SommaireSommaire








7


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


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


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


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

11


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]


SommaireSommaire








13


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


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


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


SommaireSommaire








17


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


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


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


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


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


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


SommaireSommaire








24


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


Expérimentation CERNExpérimentation CERN

Cryostat

Circulateur

Alimentations MEO

AlimentationLASER

SourceLASER

Modulateur électro-optique

(MEO)

Analyseurde spectres

GénérateurRF

-Isolateur-Coupleur

10/90

Fibre test

26


Fréquence Brillouin et TempératureFréquence Brillouin et Température

K

B

(GHz)

°C

K

B

B

27


Largeur Brillouin et TempératureLargeur Brillouin et Température

• Max Absorption Tmax= 110 K

KK

B (MHz)B (MHz)

28


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


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


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


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


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

Documents

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