EP1820004A1 - Refractometre a reseau de bragg en angle, utilisant la puissance optique diffractee vers le continuum de modes radiatifs - Google Patents

Refractometre a reseau de bragg en angle, utilisant la puissance optique diffractee vers le continuum de modes radiatifs

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Publication number
EP1820004A1
EP1820004A1 EP05824424A EP05824424A EP1820004A1 EP 1820004 A1 EP1820004 A1 EP 1820004A1 EP 05824424 A EP05824424 A EP 05824424A EP 05824424 A EP05824424 A EP 05824424A EP 1820004 A1 EP1820004 A1 EP 1820004A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
optical
network
optical power
diffracted
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05824424A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Guillaume Laffont
Cécile PRUDHOMME
Pierre Ferdinand
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1820004A1 publication Critical patent/EP1820004A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
    • G01N21/431—Dip refractometers, e.g. using optical fibres

Definitions

  • the present invention relates to a refractometer, i.e. a refractive index measuring system.
  • optical waveguide in English "optical waveguide”
  • the latter may for example be an optical fiber or an integrated optical waveguide.
  • the refractometer comprises one or a plurality of transducers formed on the optical waveguide, each transducer being an angled Bragg grating (also called slanted Bragg grating), also referred to as an "inclined-line Bragg grating". "Tilted Bragg grating" or "blazed Bragg grating”.
  • Bragg networks are continually in the field of physical measurements (eg deformation, temperature and pressure measurements), many studies remain to be carried out in order to extend their scope to physico-chemical measurements.
  • the development of physicochemical parameter transducers (for example for the measurement of concentrations and the detection of chemical species) using Bragg gratings involves the production of transducers sensitive to the refractive index of the surrounding medium, which it either of solid, liquid or gaseous type.
  • Many studies have been carried out to produce fiber optic sensors that allow the measurement of the refractive index of an environment, but very few deal with the use of Bragg gratings. They mainly concern evanescent wave sensors or surface plasmon sensors.
  • Optical fiber sensors which are used for refractometry, include not only evanescent wave sensors and surface plasmon sensors but also sensors using standard Bragg gratings (Bragg gratings). or Bragg gratings (short period Bragg gratings), and sensors using long Bragg gratings (Bragg gratings). All these sensors have disadvantages which are mentioned in the following document, which will be referred to:
  • a Bragg grating differs from a standard short pitch Bragg grating in that the refractive index modulation, which is photo- embedded in the core. (in English "core") of the optical waveguide, generally an optical fiber, containing this network, is inclined relative to the axis of propagation of this optical fiber.
  • the period of a standard short pitch Bragg grating and the period of a short pitched Bragg grating are of the same order of magnitude: they are generally about 0.5 ⁇ m.
  • a short angular step Bragg grating more simply called an "angle Bragg grating", consists of a sinusoidal modulation of the refractive index of the core of a single-mode optical waveguide.
  • waveguide usually a monomode optical fiber, but with the following particularity: the vector-network (in English)
  • “Lattice vector" K associated with the index modulation is inclined with respect to the axis of propagation of the optical fiber.
  • This geometry breaks the symmetry of the component's revolution and gives rise to coupling phenomena between more complex modes than in the case of a rotationally symmetrical grating network (like a standard short pitch Bragg grating). Briefly, by eliminating this symmetry, one allows a coupling not only between modes of the same azimuthal symmetry but between modes of all types of symmetry.
  • the spectral response in transmission is characterized by the existence of a spectral resonance, called Bragg resonance, which corresponds to a network-induced coupling between the incident fundamental guided mode and the fundamental counter-propagative guided mode.
  • Bragg resonance a spectral resonance
  • the spectral response of an angled Bragg grating is characterized by greater coupling phenomena from the fundamental guided mode to cladding modes of the optical fiber, but also by coupling phenomena from the fundamental guided mode to the continuum of modes. radiative which correspond to light escaping from the optical fiber. These couplings to the radiative modes translate on the spectral response, no longer by discrete resonances (as for the cladding modes) but by a band of continuous loss.
  • a defined number of cladding modes is significantly involved in these couplings: for a given fiber, this number is determined by the angle of inclination of the lines of the Bragg grating at an angle. The number of modes involved increases with the inclination of the lines. On the other hand, the more the lines of the grating are inclined, the more high-order cladding modes (and therefore the effective index and the low resonance wavelength), or even the radiative modes, intervene. On the spectral response in transmission, this results in the presence of a growing number of spectral resonances. For a given angle Bragg grating, the lower the wavelength of the spectral resonance, the more the sheath mode associated with this resonance has a low effective index and a high order.
  • the shorter wavelength resonances which are therefore associated with the sheath modes with the lowest effective indices, are affected first by the increase of the refractive index of the external medium. This feature is used in the document [1] to determine the external refractive index which is responsible for this spectrally selective evolution.
  • n ex t increases, while remaining lower than the refractive index n g of the optical cladding, this area decreases and tends to zero. It begins to decrease significantly only from a minimum value fixed by the effective cladding mode index associated with the spectral resonance of lower wavelength discernible on the spectral response in transmission of a Bragg grating in angle placed in the air.
  • n ex t takes a value equal to n g , the energy diffracted by the Bragg grating at an angle is coupled only to the continuum of radiative modes. Consequently, there is no longer any spectral resonances and the surface thus calculated is zero.
  • n ex t continues to increase, spectral resonances reappear and the calculated area increases again.
  • These new resonances correspond again to energy coupled to cladding modes that arise from Fresnel reflections at the optical sheath-external environment interface, and no longer due to a phenomenon of total reflection, such as when n ext is less than n g .
  • the two domains n eff , m i n ⁇ n e ⁇ t ⁇ n g and n ext > n g correspond to the two possible operating domains of a refractometer based on an angle Bragg grating transducer.
  • this refractometry technique requires, for each angle Bragg grating transducer, an initial calibration phase using liquids of refractive indices known very precisely to obtain the calibration curve giving, for a network Given, the evolution of the surface associated with sheath resonances as a function of the refractive index n ex t.
  • this technique has several disadvantages.
  • Such an instrument in addition to increased hardware complexity, involves a high final cost of the measurement system.
  • the measurement rate of a refractometer based on this technique is limited mainly by the acquisition time of the spectral response and, to a lesser extent, by the execution time of the algorithm for calculating the area occupied. by clad resonances: in practice, this method is limited to measurement rates of the order of 1 Hz.
  • the measurement technique based on peak detection to calculate the area occupied by sheath resonances, does not exploit all the information contained in the spectral response. This results in a non-optimal sensitivity and measurement resolution.
  • the technique is influenced by the cross-sensitivity of the spectral response of the Bragg gratings at an angle to influencing parameters such as temperature and mechanical deformations. .
  • the present invention aims to overcome the above disadvantages.
  • At least one optical waveguide having first and second ends and having at least one at least one angled Bragg grating, formed in a portion of the waveguide, which is brought into contact with the medium, and
  • this system being characterized in that it further comprises:
  • the optical waveguide is for example an optical fiber (which may be single mode or multimode) or an integrated optical waveguide (which may also be single mode or multimode).
  • the first measuring means comprise a first photodetector.
  • the first measuring means furthermore comprise an optic provided for collecting the diffracted light and concentrating it on the first photodetector.
  • This optic can be a lens or a lens or a lens of the selfoc type.
  • the first measuring means may further comprise a reflective face prism or a mirror through which the optics collect light.
  • the first measuring means further comprise a concave reflecting-face prism or a concave mirror intended to collect the diffracted light and to concentrate it on the first photodetector.
  • the system which is the subject of the invention may furthermore comprise an optical fiber which connects the optics to the first photodetector.
  • this system also comprises second means for measuring the optical power of the light, which is transmitted by the angled Bragg grating to the second end of the beam.
  • optical waveguide and the electronic processing means are provided for determining the ratio of the optical power of the light diffracted to the radiative mode continuum to the optical power of the light transmitted by the Bragg grating at an angle.
  • the second measuring means comprise a second photodetector.
  • These second measuring means may furthermore comprise an optical device designed to collect the transmitted light and to concentrate it on the second photodetector.
  • this system furthermore comprises: a light reflector which is placed at the second end of the optical waveguide and designed to reflect, in this optical waveguide, the light transmitted by the Bragg grating at an angle, and optical coupling means between on the one hand, the first end of the optical waveguide and the second measuring means and, on the other hand, this first end and the light source.
  • optical coupling means may comprise a 2x2 type optical coupler or an optical circulator.
  • the system which is the subject of the invention comprises a plurality of angle Bragg gratings which have the same spectral response.
  • the system comprises:
  • N being an integer at least 2, these networks being counted from the source
  • the system which is the subject of the invention comprises a plurality of angle Bragg gratings whose spectral responses are different from each other.
  • the system comprises:
  • N being an integer at least equal to 2, these networks being counted from the source
  • the system comprises: - N angled Bragg gratings, which are centered on spectral windows different from each other, N being an integer at least 2, these networks being counted from the source, - for each network, second means measuring the optical power of the light transmitted by this network, and
  • an optical light pickup coupler mounted on the optical waveguide, between the associated network and the following network, and designed to send the light taken to the second corresponding measurement means, and which electronic processing means are provided for determining, for each network, the ratio of the optical power of the light diffracted by this network to the continuum of radiative modes to the optical power of the light transmitted by this network.
  • the system which is the subject of the invention may comprise a plurality of optical waveguides and optical switching means, designed to successively send the light supplied by the source into the optical waveguides.
  • the light supplied by the source is amplitude modulated, at a predefined frequency, and a synchronous detection technique is implemented with the measuring means to recover the optical power provided by these sources. measuring means.
  • FIG. 1 schematically illustrates an example of the invention, in a transmission configuration
  • FIG. 2 diagrammatically illustrates another example of the invention, in a transmission configuration, with a collection objective
  • FIG. 3 schematically illustrates another example of the invention, in a transmission configuration, with a reflective prism and a collection objective
  • FIG. 4 schematically illustrates another example of the invention, in a configuration for a remote system
  • FIG. 5 schematically illustrates another example of the invention, in a reflection configuration, with an optical coupler
  • FIG. 6 schematically illustrates another example of the invention, in a reflection configuration, with an optical circulator instead of the optical coupler
  • FIG. 7 schematically illustrates a refractometry system according to the invention, with serialization multiplexing of the networks and a reference photodetector per network
  • FIG. 8 diagrammatically illustrates another refractometry system according to the invention, with spectral multiplexing and networking of the networks
  • FIG. 9 schematically illustrates another refractometry system according to the invention, combining various solutions. multiplexing, namely serial and spectral and time multiplexing, with a reference measurement for each network.
  • the solution proposed by the present invention is no longer to be interested in the metrological information contained in the cladding modes but to that contained in the continuum of radiative modes. Indeed, we have seen previously that the energy diffracted towards the radiative modes evolved, as a function of n ex t, exactly opposite to the energy diffracted towards the cladding modes. Consequently, the principle of a measurement of the optical power of the light diffracted towards the radiative mode continuum can be retained to go back to the inductive parameter. Indeed, the energy conveyed by these modes escapes from the optical fiber to go into the external environment. Thus, as with the cladding modes, there is no problem related to losses during propagation.
  • the present invention rests, as for evanescent wave sensors, on a power measurement.
  • the technique which is the subject of the invention is therefore sensitive to any variation in the optical power conveyed by the optical fiber containing the grating, whether this be a variation of the optical power of the interrogation light source or a variation of line losses. even a drift of the response of the photodetector and the amplification-acquisition chain.
  • the technique that is the subject of the invention no longer requires the use of a measurement of the spectral type: it simply consists in measuring the optical power diffracted towards the continuum of radiative modes and, preferably, the measurement of an optical power of reference, namely the power transmitted by the Bragg grating at an angle.
  • the evolution of the ratio between these two quantities measured is unequivocally related to the index of refraction of the external environment.
  • a refractometer system based on this measurement technique corresponds to a relatively simple architecture and allows the manufacture of industrializable products at low costs.
  • the acquisition rates are no longer determined only by the tools for digitizing and applying a processing algorithm (which is very simplified compared to the algorithm used for the technique known from document [I] ) and no longer by the time of the spectral measurement. It becomes perfectly possible to perform measurements at rates ranging from a few Hz to a few tens of kHz.
  • the sensitivity and the measurement resolution are significantly improved compared to the technique known from document [1]. Indeed, instead of using only a part of the information, namely the amplitude and the location of the spectral resonances towards the cladding modes, all the information is used, namely the optical power conveyed in the form of the radiative modes. Finally, the optical power diffracted towards the radiative modes does not depend on other parameters such as temperature or mechanical deformations: only the spectral signature of the coupling towards these radiative modes is influenced by these parameters. Consequently, the cross-sensitivity of the Bragg gratings at an angle to other physico-chemical quantities is overcome.
  • P 1 and P trv be the optical powers respectively incident on the Bragg grating at an angle and transmitted by this same network.
  • P r and P g respectively be the optical powers conveyed in the form of radiative modes and sheath modes.
  • the light energy that is not transmitted by the network corresponds to diffracted light, either to the cladding modes or to the mode continuum. radiative. Consequently, we have the following relation between these four quantities (considering that the losses during the propagation, in particular by diffusion (in English "scattering”), are negligible):
  • the ratio depends only on the wavelength; it does not depend on intensity fluctuations. Moreover, we know that the power conveyed by the radiative modes is uniquely linked to the power conveyed by the sheath modes:
  • the refractometry technique which has just been described passes through the measurements of the optical power diffracted by the Bragg grating at an angle in the form of radiative modes and the power transmitted in the optical fiber by this grating.
  • Different hardware configurations can be considered to perform these two measurements. They are differentiated by opto-mechanical solutions implemented to collect light.
  • the collection solutions of diffracted light in the form of radiative modes exploit the directionality of such light beams.
  • the light diffracted in the form of radiative modes escapes from the fiber according to a light cone.
  • This cone has an opening of the order of 1 ° and the angle ⁇ cone between the axis of this cone and the axis of propagation of the optical fiber is connected to the inclination angle ⁇ of the lines of the network, pitch (in English "pitch") ⁇ of the latter, at the refractive index n g of the optical cladding, at the propagation constant ⁇ 0 of the guided mode and at the wavelength ⁇ of light according to the following relation:
  • the principle of the measurement technique is to interrogate a Bragg grating at an angle with a broadband light source, covering the entire spectral response of this network. Therefore, it is necessary to recover the light corresponding to all interrogation wavelengths.
  • the diffracted light to be collected is distributed in a cone whose opening is rather of the order of ten degrees (a different angle corresponding to each wavelength).
  • an angled Bragg grating is not punctual: it generally has a length of a few millimeters.
  • the diffracted light corresponds rather to a line of light that diverges in two directions.
  • the divergence angle is rather of the order of 1 °.
  • the divergence is rather of the order of ten degrees.
  • a first solution is schematically illustrated in FIG. 1. It simply consists in placing a photodetector at the output of the optical fiber to measure P tr and another photodetector laterally with respect to the fiber for measuring P r .
  • a mechanical fixing device (Not shown) can be used to, for example, adjust and optimize the positioning of the latter photodetector relative to the diffracted light.
  • the optical fiber (which may be monomode or multimode) has the reference 2.
  • the angle Bragg grating 4 is formed in the core 6 of the fiber.
  • This network is placed in a part of the fiber which is in contact with the external medium, for example a liquid 7, whose refractive index is to be measured.
  • the optical cladding of the fiber has the reference 8.
  • the axis of the fiber (core axis) has the reference X.
  • a light source 10 is placed opposite one end of the fiber. The light 12 emitted by the source is injected into this end via an appropriate optic 14 to be guided by the core of the fiber. The light diffracted towards the continuum of radiative modes at the reference 16.
  • the photodetector which detects this light has the reference 17.
  • Electronic processing means 22 are provided for calculating the ratio P r / P tr from the signals they receive from the photodetectors and to provide the value of the refractive index of the medium 7, from this ratio.
  • a limitation of the assembly of FIG. 1 stems from the fact that the detection surface of the photodetector 17 is not necessarily adapted to the surface occupied by the light 16 to be collected in the plane of this sensor.
  • a lens 24 which can be limited to a single lens, is used to collect the diffracted light 16 and to image it optimally, that is to say to send the almost all of this light, on the detection surface of the photodetector 17.
  • the reflective face prism For diffracted light emerging from the optical fiber with smaller exit angles than shown in FIG. 3, it may be wise to use a prism whose reflective face is located on the left of FIG. . Moreover, if the reflective face prism can be advantageous in terms of practical realization, it is however perfectly conceivable to perform the same function with a conventional plane mirror. Finally, whether in the case of the reflective face prism or the traditional mirror, the use of a reflective surface no longer flat but concave and focusing, for example parabolic, simplifies the assembly. Indeed, in this case, it is no longer necessary to use a collection lens after the prism or the mirror: the reflective surface provides focusing on the photodetector 17.
  • a reflective prism and a collection lens are used again, which, in this case, can advantageously be a selfoc type of lens, connected to a monomode or multimode optical fiber.
  • the collected light is then injected, by the selfoc lens, into the optical fiber which then leads the light to a photodetector.
  • the selfoc lens it is quite possible to move the instrumentation several hundred meters or more away from the measurement zone (depending on the transmission losses of the collection fiber).
  • the power transmitted Ptr r it is sufficient to deport his measure, to increase appropriately the fiber length available after the Bragg grating. This is diagrammatically illustrated in FIG.
  • FIG. 5 This is schematically illustrated by FIG. 5 on which the optical fiber 2, provided with the network 4, facing which is placed the collection and coupling system 36 (comprising the prism 26 and the selfoc lens 32 in the example of FIG. Figure 4).
  • the collection and coupling system 36 comprising the prism 26 and the selfoc lens 32 in the example of FIG. Figure 4.
  • the fiber 34 which is coupled to the photodetector 17.
  • a 2x2 optical coupler 40 is mounted on this fiber 2, between the grating 4 and the photodetector 18, as seen in FIG. 5 and the two remaining remaining branches of this coupler 40 are respectively coupled to the light source 10 , via an optical fiber 42, and left free.
  • a variant of this solution consists in replacing the 2x2 coupler 40 with an optical circulator 42 (see FIG. 6).
  • This circulator has three ports 42a, 42b and 42c as seen in FIG. 6. The light passes from port 42a to port 42b, then from port 42b to port 42c but can not go, for example, from port 42b to port 42a .
  • This variant makes it possible to optimize the signal-to-noise ratio.
  • the double passage in the angled Bragg grating is not corrected by this circulator as was the case for the 2x2 coupler.
  • one of the major interests of Bragg grating transducer technology is the ability to multiplex networks on a single measurement line.
  • the multiplexed Bragg gratings are identified by their respective resonant wavelengths and this is referred to as spectral multiplexing.
  • the refractometry technique known from document [1] also makes it possible to use spectral multiplexing.
  • the number of multiplexable angle Bragg gratings is very limited. Indeed, the spectral range occupied by a single network typically ranges from 20 to 30 nm.
  • optical interrogation sources have spectral widths less than 100 nm. Therefore, on the same line and with a single source, only 3 to 5 transducers (networks) can be multiplexed. These figures do not constitute a strict limit.
  • the number of multiplexable networks can be slightly increased, for example by reducing the spectral width of a network (to the detriment of accessible measurement dynamics) or by combining several broadband optical sources and suitable broadband optical couplers.
  • this limitation inherent in the spectral extent of networks and optical sources is completely eliminated. Indeed, this technique no longer requires a spectral measurement but only a measure of power. Therefore, the transducers (networks) no longer have to be multiplexed spectrally.
  • the reference power is the same for all the networks, it can be measured at the end of the line but it is necessary to perform the calibration operation of each network once the manufactured line. If the calibration operation is carried out network by network, it is then essential to measure the power transmitted after each network. This is done very simply by arranging an optical sampling coupler between two adjacent networks.
  • FIG. 7 This is schematically illustrated by FIG. 7, in which we see an optical fiber 44 in which are formed N Bragg gratings at an angle Ri, R 2, ... RN, N being an integer at least equal to 2. These gratings are Ri .. .R N are formed in portions of the fiber 44 which are respectively in contact with external environments Mi ... M N whose refractive indices are to be measured.
  • optical light pickup couplers Ci, C 2 C N -i which are respectively associated with the networks Ri, R 2 , have also been mounted.
  • .RN-I • Collecting and coupling systems Si, S 2 S N are respectively placed opposite arrays Ri, R 2 ... R N and are respectively coupled to N photodetectors Pi, P 2 ... P N via optical fibers Fi, F 2 ... F N.
  • NI also other photodetectors Di, D 2 ... D N _i which are optically connected respectively to couplers Ci, C 2 -C N -I to recover the lights taken by them.
  • a light source 46 is seen which is optically coupled to one end of the fiber 44 and another photodetector D N which is optically coupled to the other end of the fiber 44 to recover the light transmitted by the network R N.
  • electronic processing means 48 which are electrically connected to the photodetectors Pi ... P N and Di ... D N and provided for determining the refractive index of the medium M 1 from the ratio of the optical powers respectively obtained. using photodetectors D 1 and P 1 , for any i ranging from 1 to N.
  • the sampling coefficient can be very low (a few%) so as not to penalize the following measures with regard to the signal-to-noise ratio.
  • networks are placed in series respectively centered on different spectral windows, preferably adjacent, whose respective widths are adapted to those of the networks.
  • the number of windows that can be used is determined by the useful spectral width of the optical interrogation source and that of the angled Bragg gratings.
  • the order of the series-connected networks does not matter. Given the classical spectral widths of the angle Bragg gratings, namely 20 to 30 nm, and the spectral range of the commercially available optical interrogation sources (up to 100 nm), there are therefore 3 to 5 spectral windows. distinct.
  • FIG. 8 This is schematically illustrated in FIG. 8.
  • the assembly that is seen in this FIG. 8 is identical to the assembly that is seen in FIG. 7, except that the networks R 1 ... R N of FIG. are respectively replaced by networks R f i, R f2 ... RfN which are centered on adjacent spectral windows fl, f2 ... fN.
  • the reference power can be measured by transmission after each sensor (array), or measured by transmission with a photodiode placed at the end of the measurement line, or measured by reflection with a single photodiode for all measurement lines that are connected to the switch.
  • FIG. 9 schematically illustrates the case where the reference power is measured by transmission after each network.
  • L 1 ... L n (n integer at least equal to 2), which are connected to an interrogation light source 50 via an optical switch 52.
  • Each line is the kind shown in FIG. 8.
  • Electronic processing means 54 are also shown which are connected to all the photodetectors of the system of FIG. 9.
  • any of the solutions presented above can be improved by using a measurement technique based on synchronous detection.
  • This approach consists of modulating in amplitude the signal of the optical interrogation source at a frequency f.
  • a synchronous detection it is then possible to extract from the noise the relevant information on each of the two photodetectors of the measurement system. This eliminates for example parasitic light sources (ambient light for example).
  • parasitic light sources ambient light for example.
  • the present invention provides many improvements.
  • the refractometry technique that is the subject of the invention no longer requires a measurement of the spectral response of the Bragg grating at an angle. Only one, preferably only two, optical power measurement (s) is required, namely a first measurement of the optical power diffracted towards the radiative modes and, preferably, a second measurement of the optical power transmitted. by the network as the normalizing quantity.
  • the concept of measurement is therefore radically different.
  • the design considered in the invention first of all makes it possible to reduce very significantly the cost and the complexity of the system. (absence of spectrum analyzer).
  • the measurement technique object of the invention requires only a little important treatment since it is limited to the ratio between two optical powers.
  • the acquisition and processing time of the spectrum of the (network) transducer limited the measurement bandwidth to 1 Hz.
  • bandwidth is limited only by hardware scanning tools. Therefore, measurement rates of several tens of kHz are possible.
  • measurement dynamics are just as important: refractive index measurements can be carried out in ranges from 1.3 to 1.7.
  • the technique that is the subject of the invention makes it possible to exploit all the relevant physical information whereas previously the measurement technique used truncated this information: instead of exploiting the entire spectral response, only the feet and peaks of spectral resonances.
  • the elementary measurement chain is limited to an optical source, two photodiodes and a digital acquisition card. In the system known from document [1], this chain also included a spectrum analyzer. By eliminating a potential source of measurement noise and exploiting all the useful physical information, both the resolution and the measurement sensitivity are increased. These two quantities are only limited by the noise electronics at the level of the photodetectors and amplification circuits thereof and by the resolution of the corresponding acquisition card.
  • the invention makes it possible to envisage numerous multiplexing solutions: remote measurement systems and interfaces with several tens of multiplex networks are easily conceivable.

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Abstract

Réfractomère à réseau de Bragg en angle, 5 utilisant la puissance optique diffractée vers le continuum de modes radiatifs. Ce réfractomètre comprend au moins un guide d'onde optique (2) comportant au moins un réseau de Bragg en angle (4), formé dans une partie du guide 10 d'onde, qui est mise en contact avec un milieu (7) dont l'indice de réfraction est à déterminer, une source de lumière (10) couplée au guide d'onde pour y envoyer cette lumière et la faire interagir avec le réseau, des moyens (17) de mesure de la puissance optique de la 15 lumière diffractée vers le continuum de modes radiatifs, lors de l'interaction de la lumière émise par la source avec le réseau, et des moyens (22) de traitement électronique pour fournir la valeur de l'indice de réfraction du milieu à partir de cette 20 puissance optique.

Description

REFRACTOMETRE A RESEAU DE BRAGG EN ANGLE, UTILISANT LA PUISSANCE OPTIQUE DIFFRACTEE VERS LE CONTINUUM DE MODES
RADIATIFS
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un réfractomètre, c'est-à-dire un système de mesure d'indices de réfraction.
Elle s'applique notamment à la mesure de l'indice de réfraction d'un liquide ou d'un gaz ou de tout autre produit ou composé chimique qui est en contact avec un guide d'onde optique (en anglais « optical waveguide ») , en particulier déposé sur ce guide d'onde optique.
Ce dernier peut être par exemple une fibre optique ou un guide d'onde optique intégré. Le réfractomètre comprend un ou une pluralité de transducteurs formés sur le guide d' onde optique, chaque transducteur étant un réseau de Bragg en angle (en anglais « slanted Bragg grating ») , encore appelé « réseau de Bragg à traits inclinés » (en anglais « tilted Bragg grating ») ou « réseau de Bragg blazé » (en anglais « blazed Bragg grating ») .
Si les réseaux de Bragg s'imposent continuellement dans le domaine des mesures de type physique (par exemple mesures de déformations, de températures et de pressions) , de nombreux travaux restent à mener afin d'étendre leur champ d'application aux mesures de type physico-chimique. Le développement de transducteurs de paramètres physico-chimiques (par exemple pour la mesure de concentrations et la détection d'espèces chimiques) utilisant des réseaux de Bragg passe par la réalisation de transducteurs sensibles à l'indice de réfraction du milieu environnant, qu'il soit de type solide, liquide ou gazeux. De nombreux travaux ont été menés en vue de réaliser des capteurs à fibres optiques autorisant la mesure de l'indice de réfraction d'un milieu mais très peu traitent de l'utilisation des réseaux de Bragg. Ils concernent essentiellement des capteurs à ondes évanescentes ou bien des capteurs à plasmons de surface.
On connaît cependant un réfractomètre qui utilise un réseau de Bragg en angle et sur lequel on reviendra par la suite.
ÉTAT DE LA TECHNIQtJE ANTERIEtJRE
Les capteurs à fibres optiques, que l'on utilise pour la réfractométrie, comprennent non seulement les capteurs à ondes évanescentes et les capteurs à plasmons de surface mais aussi les capteurs utilisant des réseaux de Bragg standard (en anglais « standard Bragg gratings ») , ou réseaux de Bragg à pas court (en anglais « short period Bragg gratings ») , et les capteurs utilisant des réseaux de Bragg à pas long (en anglais « long period Bragg gratings ») . Tous ces capteurs présentent des inconvénients qui sont mentionnés dans le document suivant, auquel on se reportera :
[1] Refractometer with blazed Bragg grating, WO 02/44697 A, invention de Guillaume Laffont et Pierre Ferdinand, correspondant à FR 2 814 810 A et à la demande de brevet américain dont le numéro de série est 09/926,511 et qui a été déposée le 13 novembre 2001.
Un réseau de Bragg à pas court en angle (en anglais « slanted short period Bragg grating ») diffère d'un réseau de Bragg à pas court standard en ce que la modulation d'indice de réfraction, qui est photo¬ inscrite dans le coeur (en anglais « core ») du guide d'onde optique, en général une fibre optique, contenant ce réseau, est inclinée par rapport à l'axe de propagation de cette fibre optique. Par contre, la période d'un réseau de Bragg à pas court standard et la période d'un réseau de Bragg à pas court en angle sont du même ordre de grandeur : elles valent généralement environ 0,5 μm.
L'un des intérêts majeurs d'un réseau de Bragg à pas court en angle réside dans sa grande sensibilité spectrale vis-à-vis de l'indice de réfraction du milieu extérieur à la fibre optique. Cette sensibilité a déjà été mise à profit afin de développer le réfractomètre connu par le document [1] . Un réseau de Bragg à pas court en angle, plus simplement appelé « réseau de Bragg en angle », consiste en une modulation sinusoïdale de l'indice de réfraction du coeur d'un guide d'onde optique monomode (en anglais « single mode optical waveguide ») , en général une fibre optique monomode, mais avec la particularité suivante : le vecteur-réseau (en anglais
« lattice vector ») K associé à la modulation d'indice est incliné par rapport à l'axe de propagation de la fibre optique.
Cette géométrie rompt la symétrie de révolution du composant et engendre des phénomènes de couplage entre modes plus complexes que dans le cas d'un réseau (en anglais « grating ») à symétrie de révolution (comme un réseau de Bragg à pas court standard) . Brièvement, en supprimant cette symétrie, on autorise un couplage non plus uniquement entre modes de même symétrie azimuthale mais entre modes de tous types de symétrie. Dans le cas d'un réseau de Bragg à pas court, la réponse spectrale en transmission se caractérise par l'existence d'une résonance spectrale, appelée résonance de Bragg, qui correspond à un couplage induit par le réseau entre le mode guidé fondamental incident et le mode guidé fondamental contra-propagatif. Du côté des plus courtes longueurs d'onde, on observe un ensemble de résonances spectrales dont les amplitudes sont plus faibles. Ces résonances correspondent à un couplage induit par le réseau de Bragg entre le mode guidé fondamental incident et des modes appelés « modes de gaine contra-propagatifs », qui sont guidés non plus par le coeur de la fibre optique mais par la gaine optique (en anglais « optical cladding ») de cette fibre. En réflexion, seule la résonance de Bragg peut être observée tandis que la lumière réfléchie, correspondant aux résonances associées à des modes de gaine, est absorbée très rapidement (typiquement au bout de quelques centimètres) dans la fibre optique.
La réponse spectrale d'un réseau de Bragg en angle se caractérise par des phénomènes de couplage plus importants du mode guidé fondamental vers des modes de gaine de la fibre optique, mais aussi par des phénomènes de couplage du mode guidé fondamental vers le continuum de modes radiatifs qui correspondent à de la lumière s' échappant de la fibre optique. Ces couplages vers les modes radiatifs se traduisent, sur la réponse spectrale, non plus par des résonances discrètes (comme pour les modes de gaine) mais par une bande de perte continue.
Lorsqu'un réseau de Bragg en angle est placé dans l'air, dont l'indice de réfraction est quasiment égal à 1, sa réponse spectrale en transmission se caractérise quasi-exclusivement par des couplages entre le mode guidé fondamental incident et des modes de gaine contra-propagatifs : on observe par conséquent un ensemble de résonances spectrales discrètes .
Un nombre défini de modes de gaine est impliqué de façon significative dans ces couplages : pour une fibre donnée, ce nombre est déterminé par l'angle d'inclinaison des traits du réseau de Bragg en angle. Le nombre de modes impliqués augmente avec l'inclinaison des traits. Par ailleurs, plus les traits du réseau sont inclinés, plus des modes de gaine d'ordre élevé (et donc d'indice effectif et de longueur d'onde de résonance faibles), voire des modes radiatifs, interviennent. Sur la réponse spectrale en transmission, cela se traduit par la présence d'un nombre de plus en plus important de résonances spectrales. Pour un réseau de Bragg en angle donné, plus la longueur d' onde de la résonance spectrale est basse et plus le mode de gaine associé à cette résonance possède un indice effectif faible et un ordre élevé.
Lorsque l'indice de réfraction next du milieu extérieur devient différent de 1, la réponse spectrale évolue. Plus la valeur de cet indice de réfraction augmente et plus les résonances spectrales se décalent vers les grandes longueurs d'onde. En parallèle, leur amplitude va tendre à diminuer. Pour une résonance spectrale donnée, cette diminution d'amplitude signifie que l'efficacité du couplage entre le mode guidé fondamental incident et le mode de gaine décroît. A cette longueur d'onde, la partie de l'énergie lumineuse qui n'est plus diffractée vers le mode de gaine est couplée vers le continuum de modes radiatifs. Ce continuum de modes radiatifs correspond à de la lumière qui s'échappe de la fibre optique. Lorsque next atteint une valeur limite, la résonance spectrale disparaît complètement : l'énergie diffractée par le réseau à cette longueur d' onde est couplée en totalité vers des modes radiatifs. Pour un mode de gaine donné, cette valeur limite est atteinte lorsqu'il y a adéquation entre l'indice de réfraction du milieu extérieur et l'indice effectif du mode de gaine. Dans ce cas, pour ce mode de gaine, tout se passe comme si la gaine optique avait totalement disparu : il ne peut plus être guidé et l'énergie s'échappe de la fibre optique sous forme radiative. Cela étant, la diminution d'amplitude et le décalage spectral ne se produisent pas en parallèle sur l'ensemble des résonances spectrales. Les résonances de plus courtes longueurs d'onde, qui sont donc associées aux modes de gaine d' indices effectifs les plus faibles, sont affectées les premières par l'augmentation de l'indice de réfraction du milieu extérieur. On tire profit de cette particularité dans le document [1] pour déterminer l'indice de réfraction externe qui est responsable de cette évolution spectralement sélective.
Ainsi, au fur et à mesure que cet indice augmente, les résonances spectrales disparaissent jusqu'à l'obtention d'un spectre de pertes parfaitement lisse : il y a alors adéquation de l'indice de réfraction du milieu extérieur et de celui de la gaine optique. La lumière diffractée par le réseau de Bragg en angle sur l'ensemble de la fenêtre spectrale est alors couplée en totalité vers le continuum de modes radiatifs .
Pour des valeurs de next supérieures à l'indice de réfraction de la gaine optique, il n'y a plus adéquation avec l'indice de réfraction de la gaine optique. Une interface entre la gaine optique et le milieu extérieur existe de nouveau. Cette interface a pour conséquence de re-piéger une partie de la lumière diffractée vers les modes radiatifs sous la forme de modes de gaine. Cependant, il ne s'agit plus de modes de gaine obtenus par réflexion totale à l'interface gaine optique-milieu extérieur (l'indice de réfraction du milieu extérieur étant supérieur à celui de la gaine optique) mais par réflexion de Fresnel. Par conséquent, un ensemble de résonances spectrales réapparaissent progressivement et simultanément (c'est-à-dire pour une même valeur de next) sur l'ensemble de la réponse spectrale.
La technique décrite dans le document [1], pour exploiter la sensibilité spectrale d'un réseau de Bragg en angle à next, est fondée sur une mesure de la réponse spectrale en transmission d'un tel réseau. Une fois ce spectre acquis, un algorithme approprié détermine la surface occupée par les résonances spectrales associées aux couplages entre le mode guidé et les modes de gaine.
Quand next augmente, tout en restant inférieur à l'indice de réfraction ng de la gaine optique, cette surface diminue et tend vers zéro. Elle ne commence à décroître significativement qu'à partir d'une valeur minimale fixée par l'indice effectif du mode de gaine associé à la résonance spectrale de plus basse longueur d'onde discernable sur la réponse spectrale en transmission d'un réseau de Bragg en angle placé dans l'air. Quand next prend une valeur égale à ng, l'énergie diffractée par le réseau de Bragg en angle est couplée uniquement vers le continuum de modes radiatifs. Par conséquent, il n'y a plus de résonances spectrales et la surface ainsi calculée est nulle.
Si next continue d'augmenter, des résonances spectrales réapparaissent et la surface calculée augmente de nouveau. Ces nouvelles résonances correspondent de nouveau à de l'énergie couplée vers des modes de gaine qui prennent naissance du fait de réflexions de Fresnel à l'interface gaine optique- milieu extérieur, et non plus du fait d'un phénomène de réflexion totale comme lorsque next est inférieur à ng. Les deux domaines neff,min <neχt <ng et next>ng correspondent aux deux domaines de fonctionnement possibles d'un réfractomètre fondé sur un transducteur à réseau de Bragg en angle.
Notons par ailleurs que cette technique de réfractométrie nécessite, pour chaque transducteur à réseau de Bragg en angle, une phase initiale de calibrage à l'aide de liquides d'indices de réfraction connus très précisément pour obtenir la courbe de calibrage donnant, pour un réseau donné, l'évolution de la surface associée aux résonances de gaine en fonction de l'indice de réfraction next.
Bien qu'elle offre de nombreux avantages par rapport aux autres techniques de réfractométrie par fibre optique, cette technique présente plusieurs inconvénients. Tout d'abord, elle nécessite d'effectuer des mesures spectrales très précises : sa mise en oeuvre nécessite donc l'utilisation et l'intégration d'un spectromètre dans le système de mesure. Un tel instrument, outre une complexité matérielle accrue, implique un coût final élevé du système de mesure. Par ailleurs, la cadence de mesure d'un réfractomètre fondé sur cette technique est limitée principalement par le temps d'acquisition de la réponse spectrale et, de façon moindre, par la durée d'exécution de l'algorithme de calcul de la surface occupée par les résonances de gaine : en pratique, cette méthode est limitée à des cadences de mesure de l'ordre de IHz.
Enfin, et plus fondamentalement, la technique de mesure, fondée sur une détection de pics pour calculer la surface occupée par les résonances de gaine, n'exploite pas toute l'information contenue dans la réponse spectrale. II en résulte une sensibilité et une résolution de mesure non optimales. En outre, toujours du fait de la procédure de détection de pics, la technique est influencée par la sensibifité croisée de la réponse spectrale des réseaux de Bragg en angle vis-à-vis de paramètres d'influence tels que la température et les déformations mécaniques.
EXPOSE DE I/ INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents.
Elle a pour objet un système de mesure de l'indice de réfraction d'au moins un milieu, ce système comprenant :
- au moins un guide d' onde optique ayant des première et deuxième extrémités et comportant au moins un réseau de Bragg en angle, formé dans une partie du guide d'onde, qui est mise en contact avec le milieu, et
- une source de lumière optiquement couplée à la première extrémité du guide d' onde pour y envoyer cette lumière et la faire interagir avec le réseau, ce système étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- des premiers moyens de mesure de la puissance optique de la lumière diffractée vers le continuum de modes radiatifs, lors de l'interaction de la lumière émise par la source avec le réseau, et
- des moyens de traitement électronique prévus pour fournir la valeur de l'indice de réfraction du milieu à partir de cette puissance optique.
Le guide d' onde optique est par exemple une fibre optique (qui peut être monomode ou multimode) ou un guide d'onde optique intégré (qui peut également être monomode ou multimode) . De préférence, les premiers moyens de mesure comprennent un premier photodétecteur.
Selon un premier mode de réalisation particulier du système objet de l'invention, les premiers moyens de mesure comprennent en outre une optique prévue pour collecter la lumière diffractée et concentrer celle-ci sur le premier photodétecteur.
Cette optique peut être une lentille ou un objectif ou une lentille de type selfoc.
Les premiers moyens de mesure peuvent comprendre en outre un prisme à face réfléchissante ou un miroir par l'intermédiaire duquel l'optique collecte la lumière.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier du système objet de l'invention, les premiers moyens de mesure comprennent en outre un prisme à face réfléchissante concave ou un miroir concave prévu pour collecter la lumière diffractée et concentrer celle-ci sur le premier photodétecteur.
Le système objet de l'invention peut comprendre en outre une fibre optique qui relie l'optique au premier photodétecteur.
Selon un mode de réalisation préféré du système objet de l'invention, ce système comprend en outre des deuxièmes moyens de mesure de la puissance optique de la lumière qui est transmise, par le réseau de Bragg en angle, jusqu'à la deuxième extrémité du guide d' onde optique et les moyens de traitement électronique sont prévus pour déterminer le rapport de la puissance optique de la lumière diffractée vers le continuum de modes radiatifs à la puissance optique de la lumière transmise par le réseau de Bragg en angle.
De préférence, les deuxièmes moyens de mesure comprennent un deuxième photodétecteur.
Ces deuxièmes moyens de mesure peuvent comprendre en outre un optique prévue pour collecter la lumière transmise et concentrer celle-ci sur le deuxième photodétecteur.
Selon un mode de réalisation particulier du système objet de l'invention, ce système comprend en outre : - un réflecteur de lumière qui est placé en la deuxième extrémité du guide d' onde optique et prévu pour réfléchir, dans ce guide d'onde optique, la lumière transmise par le réseau de Bragg en angle, et - des moyens de couplage optique entre, d'une part, la première extrémité du guide d'onde optique et les deuxièmes moyens de mesure et, d'autre part, cette première extrémité et la source de lumière.
Ces moyens de couplage optique peuvent comprendre un coupleur optique de type 2x2 ou un circulateur optique.
Selon un premier mode de réalisation particulier, le système objet de l'invention comprend une pluralité de réseaux de Bragg en angle qui ont la même réponse spectrale.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le système comprend :
- N réseaux de Bragg en angle qui ont la même réponse spectrale, N étant un nombre entier au moins égal à 2, ces réseaux étant comptés à partir de la source,
- pour chaque réseau, des deuxièmes moyens de mesure de la puissance optique de la lumière transmise par ce réseau, et - pour chacun des N-I premiers réseaux, un coupleur optique de prélèvement de lumière, monté sur le guide d'onde optique, entre le réseau associé et le réseau suivant, et prévu pour envoyer la lumière prélevée aux deuxièmes moyens de mesure correspondants, et dans lequel les moyens de traitement électronique sont prévus pour déterminer, pour chaque réseau, le rapport de la puissance optique de la lumière diffractée par ce réseau vers le continuum de modes radiatifs à la puissance optique de la lumière transmise par ce réseau. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, le système objet de l'invention comprend une pluralité de réseaux de Bragg en angle dont les réponses spectrales sont différentes les unes des autres . Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le système comprend :
- N réseaux de Bragg en angle dont les réponses spectrales sont différentes les unes des autres , N étant un nombre entier au moins égal à 2, ces réseaux étant comptés à partir de la source,
- pour chaque réseau, des deuxièmes moyens de mesure de la puissance optique de la lumière transmise par ce réseau, et
- pour chacun des N-I premiers réseaux, un coupleur optique de prélèvement de lumière, monté sur le guide d'onde optique, entre le réseau associé et le réseau suivant, et prévu pour envoyer la lumière prélevée aux deuxièmes moyens de mesure correspondants, et dans lequel les moyens de traitement électronique sont prévus pour déterminer, pour chaque réseau, le rapport de la puissance optique de la lumière diffractée par ce réseau vers le continuum de modes radiatifs à la puissance optique de la lumière transmise par ce réseau. Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, le système comprend : - N réseaux de Bragg en angle, qui sont centrés sur des fenêtres spectrales différentes les unes des autres, N étant un nombre entier au moins égal à 2, ces réseaux étant comptés à partir de la source, - pour chaque réseau, des deuxièmes moyens de mesure de la puissance optique de la lumière transmise par ce réseau, et
- pour chacun des N-I premiers réseaux, un coupleur optique de prélèvement de lumière, monté sur le guide d'onde optique, entre le réseau associé et le réseau suivant, et prévu pour envoyer la lumière prélevée aux deuxièmes moyens de mesure correspondants, et dans lequel les moyens de traitement électronique sont prévus pour déterminer, pour chaque réseau, le rapport de la puissance optique de la lumière diffractée par ce réseau vers le continuum de modes radiatifs à la puissance optique de la lumière transmise par ce réseau.
Le système objet de l'invention peut comprendre une pluralité de guides d'ondes optiques et des moyens de commutation optique, prévus pour envoyer successivement la lumière fournie par la source dans les guides d'ondes optiques.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la lumière fournie par la source est modulée en amplitude, à une fréquence prédéfinie, et une technique de détection synchrone est mise en oeuvre avec les moyens de mesure pour récupérer la puissance optique fournie par ces moyens de mesure. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre schématiquement un exemple de l'invention, dans une configuration de transmission, - la figure 2 illustre schématiquement un autre exemple de l'invention, dans une configuration de transmission, avec un objectif de collection,
- la figure 3 illustre schématiquement un autre exemple de l'invention, dans une configuration de transmission, avec un prisme réfléchissant et un objectif de collection,
- la figure 4 illustre schématiquement un autre exemple de l'invention, dans une configuration pour un système déporté, - la figure 5 illustre schématiquement un autre exemple de l'invention, dans une configuration de réflexion, avec un coupleur optique,
- la figure 6 illustre schématiquement un autre exemple de l'invention, dans une configuration de réflexion, avec un circulateur optique à la place du coupleur optique,
- la figure 7 illustre schématiquement un système de réfractométrie conforme à l'invention, avec un multiplexage par mise en série des réseaux et un photodétecteur de référence par réseau, - la figure 8 illustre schématiquement un autre système de réfractométrie conforme à l'invention, avec un multiplexage spectral et une mise en série des réseaux, et - la figure 9 illustre schématiquement un autre système de réfractométrie conforme à l'invention, combinant diverses solutions de multiplexage, à savoir une mise en série et des multiplexages spectral et temporel, avec une mesure de référence pour chaque réseau.
EXPOSÉ DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
La technique connue par le document [1], pour exploiter la sensibilité spectrale d'un réseau de Bragg en angle vis-à-vis de l'indice de réfraction du milieu extérieur, revient en fait à suivre l'évolution de la quantité de lumière diffractée par le réseau vers les modes de gaine de la fibre optique dans laquelle il est formé, et ce par l'intermédiaire de la signature spectrale du réseau. L'évolution, en fonction de next, du couplage de l'énergie lumineuse vers les modes de gaine de la fibre optique ne peut se faire directement que par l'intermédiaire de l'analyse des résonances spectrales qui leur sont associées. Aucune autre signature physique n'est accessible directement à la mesure : une mesure spectrale est donc inévitable. Or, la contribution spectrale des couplages vers les modes de gaine n'est pas séparée de celle des modes radiatifs. Il faut extraire cette information parmi toutes celles qui sont présentes dans la réponse spectrale. Ceci explique la complexité de la technique connue par le document [1] .
Une technique beaucoup plus simple pourrait être mise en oeuvre si la contribution spectrale des modes de gaine aux phénomènes de couplage générés par un réseau de Bragg en angle pouvait être séparée de celle du continuum de modes radiatifs. Or, une telle séparation pourrait être obtenue en analysant le spectre en réflexion. En effet, un réseau de Bragg en angle diffracte vers des modes de gaine contra-propagatifs la lumière guidée par le cœur de la fibre optique, dans lequel il est formé, tandis que la lumière couplée vers les modes radiatifs s'échappe de la fibre optique (de façon contra-propagative également) . Toute variation de l'indice de réfraction du milieu extérieur se répercute avant tout sur la répartition de la puissance optique diffractée entre les modes de gaine et le continuum de modes radiatifs.
Dans le cas précédent, l'évolution de cette répartition de la puissance diffractée en fonction de nextr à l'origine de la sensibilité d'un réseau de Bragg en angle à next, ne pouvait être analysée que par l'intermédiaire de la réponse spectrale du réseau, mesurée en transmission (à l'extrémité de la fibre) . En séparant la contribution des modes de gaine de celle des modes radiatifs, il n'est plus nécessaire d'analyser la réponse spectrale. Il suffit alors d'effectuer une simple mesure de la puissance optique réfléchie sous forme de modes de gaine par le réseau. Les variations de cette puissance réfléchie sont à l'image de celles de l'indice de réfraction du milieu extérieur et permettent, après une phase initiale de calibrage, d'utiliser un réseau de Bragg en angle en tant que réfractomètre.
Cependant, une telle technique ne peut être utilisée car, en réalité, les modes de gaine sont très rapidement atténués au cours de leur propagation dans la fibre optique (typiquement après seulement quelques centimètres) . Or, il faudrait une distance de propagation bien plus grande (plusieurs mètres voire plusieurs dizaines de mètres) pour pouvoir mettre, en oeuvre une telle technique dans des conditions opérationnelles. Cette technique n'est pas utilisable en pratique.
De ce fait, la solution proposée par la présente invention consiste non plus à s'intéresser à l'information métrologique contenue dans les modes de gaine mais à celle qui est contenue dans le continuum de modes radiâtifs. En effet, on a vu précédemment que l'énergie diffractée vers les modes radiatifs évoluait, en fonction de next, de façon exactement opposée à l'énergie diffractée vers les modes de gaine. Par conséquent, le principe d'une mesure de la puissance optique de la lumière diffractée vers le continuum de modes radiatifs peut être retenue pour remonter au paramètre inducteur. En effet, l'énergie véhiculée par ces modes s'échappe de la fibre optique pour aller dans le milieu extérieur. On ne retrouve donc pas, comme avec les modes de gaine, un problème lié à des pertes lors de la propagation. Il est parfaitement possible de mesurer la puissance optique véhiculée sous la forme de ces modes radiatifs, et ce à l'aide d'un simple photodétecteur judicieusement positionné à l'extérieur de la fibre optique et associé éventuellement à d'autres composants opto-mécaniques pour optimiser la collecte de l'énergie lumineuse. On reviendra plus loin sur les différentes solutions et configurations techniques permettant d'effectuer une telle mesure de puissance. On précise cependant dès à présent qu'une mesure de l'indice de réfraction next du milieu extérieur, à l'aide de la présente invention, passe par l'obtention d'une courbe de calibrage pour un transducteur donné.
Toutefois, la présente invention repose, comme pour les capteurs à ondes évanescentes, sur une mesure de puissance. La technique objet de l'invention est donc sensible à toute variation de la puissance optique véhiculée par la fibre optique contenant le réseau, que ce soit une variation de la puissance optique de la source lumineuse d'interrogation ou une variation de pertes en ligne, voire une dérive de la réponse du photodétecteur et de la chaîne d' amplification-acquisition.
Cependant, dans le cas de l'invention, il est possible de s'affranchir de ces problèmes en normalisant la mesure vis-à-vis d'une grandeur de référence. Dans le cas de l'invention, on propose de normaliser la mesure en prenant comme paramètre de référence la puissance optique transmise par le réseau de Bragg en angle. Ce paramètre correspond à la puissance optique incidente soustraite de la puissance optique diffractée vers les modes de gaine et vers le continuum de modes radiatifs (en négligeant les pertes au cours de la propagation) . La validité de cette solution de normalisation est confirmée plus loin. La technique objet de l'invention ne nécessite plus le recours à une mesure de type spectrale : elle consiste simplement à effectuer la mesure de la puissance optique diffractée vers le continuum de modes radiatifs et, de préférence, la mesure d'une puissance optique de référence, à savoir la puissance transmise par le réseau de Bragg en angle. L'évolution du ratio entre ces deux grandeurs mesurées est relié de façon univoque à l'indice de réfraction du milieu extérieur. Un système de réfractométrie fondé sur cette technique de mesure correspond à une architecture relativement simple et permet la fabrication de produits industrialisables à de faibles coûts .
En outre, les cadences d'acquisition ne sont plus déterminées que par les outils de numérisation et d'application d'un algorithme de traitement (qui est très simplifié par rapport à l'algorithme utilisé pour la technique connue par le document [I]) et non plus par le temps de la mesure spectrale. Il devient parfaitement possible d'effectuer des mesures à des cadences allant de quelques Hz à quelques dizaines de kHz.
Par ailleurs, la sensibilité et la résolution de mesure sont significativement améliorées par rapport à la technique connue par le document [1] . En effet, au lieu de n'utiliser qu'une partie de l'information, à savoir l'amplitude et la localisation des résonances spectrales vers les modes de gaine, on utilise toute l'information, à savoir la puissance optique véhiculée sous la forme des modes radiatifs. Enfin, la puissance optique diffractée vers les modes radiatifs ne dépend pas d' autres paramètres tels que la température ou les déformations mécaniques : seule la signature spectrale du couplage vers ces modes radiatifs est influencée par ces paramètres. Par conséquent, on s'affranchit de la sensibilité croisée des réseaux de Bragg en angle vis-à-vis d' autres grandeurs physico-chimiques
(température et déformations principalement) . Cet aspect est particulièrement déterminant et constitue un atout par rapport aux techniques connues de réfractométrie, mentionnées plus haut.
On présente maintenant une formulation théorique de la technique de mesure objet de l'invention afin, en particulier, d'expliciter et de valider la technique de normalisation de la mesure que l'on propose pour s'affranchir des possibles variations de puissance optique.
Soient P1 et Ptrv les puissances optiques respectivement incidente sur le réseau de Bragg en angle et transmise par ce même réseau. Soient Pr et Pg respectivement les puissances optiques véhiculées sous la forme des modes radiatifs et des modes de gaine. L'énergie lumineuse non transmise par le réseau correspond à de la lumière diffractée, soit vers les modes de gaine, soit vers le continuum de modes radiatifs . Par conséquent, on a la relation suivante entre ces quatre grandeurs (en considérant que les pertes au cours de la propagation, en particulier par diffusion (en anglais « scattering ») , sont négligeables) :
Soit S (λ) la densité spectrale de puissance de la source optique d'interrogation (s' étendant sur une fenêtre spectrale comprise entre λi et X2) et T (λ) la fonction de transfert spectrale du réseau de Bragg en angle, λ étant la longueur d'onde. Les puissances incidente et transmise s'expriment alors selon les relations suivantes :
S'il existe des fluctuations de la puissance de la source optique ou des pertes en ligne indépendantes de la longueur d'onde, les relations précédentes, donnant les puissances incidente et transmise, doivent être modifiées pour en tenir compte. Il faut alors introduire une fonction k(t) représentant les fluctuations de puissance ou de pertes en ligne, et prenant des valeurs comprises entre 0 et 1, t représentant le temps. Alors :
Par conséquent , on aboutit à la relation suivante :
Le rapport ne dépend que de la longueur d'onde ; il ne dépend pas des fluctuations d'intensité. Par ailleurs, on sait que la puissance véhiculée par les modes radiatifs est reliée de façon univoque à la puissance véhiculée par les modes de gaine :
Pr=f(next)Pg (4)
où f est une fonction croissante sur l'intervalle [neff,min ;ng], next étant l'indice de réfraction du milieu extérieur. Par conséquent, en insérant cette relation dans la relation (3) , on obtient :
A2
,, . f S S({Λλ))ddΛλ
'A2 5 )
P» i + /(O f f S{λ)T{λ)dλ
JA1
Cette dernière relation montre que la mesure de la puissance optique Pr véhiculée sous forme de modes radiatifs, normalisée par rapport à la puissance optique Ptr transmise par le réseau de Bragg en angle, permet de remonter de façon univoque à la valeur de next en inversant la fonction g par rapport à la variable next. Par ailleurs, le rapport Pr/Ptr ne dépend pas d'éventuelles fluctuations de puissance dans le temps puisque la fonction k(t) a été éliminée.
La technique de réfractométrie que l'on vient d'exposer passe par les mesures de la puissance optique diffractée par le réseau de Bragg en angle sous forme de modes radiatifs et de la puissance transmise dans la fibre optique par ce réseau. Différentes configurations matérielles peuvent être envisagées pour effectuer ces deux mesures. Elles se différencient par les solutions opto-mécaniques mises en oeuvre pour collecter la lumière.
Dans tous les cas, les solutions de collection de la lumière diffractée sous la forme des modes radiatifs exploitent le caractère directif de tels faisceaux lumineux. En effet, en un point du réseau, la lumière diffractée sous la forme de modes radiatifs s'échappe de la fibre selon un cône lumineux. Ce cône présente une ouverture de l'ordre de 1° et l'angle θcône entre l'axe de ce cône et l'axe de propagation de la fibre optique est relié à l'angle d'inclinaison θ des traits du réseau, au pas (en anglais « pitch ») Λ de ce dernier, à l'indice de réfraction ng de la gaine optique, à la constante de propagation β0 du mode guidé et à la longueur d' onde λ de la lumière selon la relation suivante :
2π cos θ
A - A
2πng λ
Toutefois, le principe de la technique de mesure consiste à interroger un réseau de Bragg en angle avec une source lumineuse à large bande, couvrant toute la réponse spectrale de ce réseau. Par conséquent, il faut récupérer la lumière correspondant à toutes les longueurs d'onde d'interrogation. Aussi, en un point du réseau, la lumière diffractée à collecter se répartit selon un cône dont l'ouverture est plutôt de l'ordre d'une dizaine de degrés (un angle différent correspondant à chaque longueur d'onde) . En outre, un réseau de Bragg en angle n'est pas ponctuel : il présente généralement une longueur de quelques millimètres. Ainsi, à une longueur d'onde donnée, la lumière diffractée correspond plutôt à une ligne de lumière qui diverge selon deux directions. Selon l'axe de la fibre optique, l'angle de divergence est plutôt de l'ordre de 1°. Par contre, dans un plan azimuthal, la divergence est plutôt de l'ordre d'une dizaine de degrés.
Une première solution est schématiquement illustrée par la figure 1. Elle consiste tout simplement à placer un photodétecteur à la sortie de la fibre optique pour mesurer Ptr et un autre photodétecteur de façon latérale par rapport à la fibre pour mesurer Pr. Un dispositif mécanique de fixation (non représenté) peut être utilisé pour, par exemple, régler et optimiser le positionnement de ce dernier photodétecteur par rapport à la lumière diffractée.
Sur la figure 1, la fibre optique (qui peut être monomode ou multimode) a la référence 2. Le réseau de Bragg en angle 4 est formé dans le coeur 6 de la fibre. Ce réseau est placé dans une partie de la fibre qui est en contact avec le milieu extérieur, par exemple un liquide 7, dont on veut mesurer l'indice de réfraction. La gaine optique de la fibre a la référence 8. L'axe de la fibre (axe du cœur) a la référence X. Une source lumineuse 10 est placée en regard d'une extrémité de la fibre. La lumière 12 émise par la source est injectée dans cette extrémité par l'intermédiaire d'une optique appropriée 14 pour être ensuite guidée par le coeur de la fibre. La lumière diffractée vers le continuum de modes radiatifs a la référence 16. Le photodétecteur qui détecte cette lumière a la référence 17. L'autre photodétecteur 18, placé en regard de l'autre extrémité de la fibre, capte la lumière transmise par le réseau 4. Cette lumière est collectée et concentrée sur le photodétecteur 18 par l'intermédiaire d'un objectif approprié 20. Des moyens de traitement électronique 22 sont prévus pour calculer le rapport Pr/Ptr à partir des signaux qu'ils reçoivent des photodétecteurs et pour fournir la valeur de l'indice de réfraction du milieu 7, à partir de ce rapport .
Une limitation du montage de la figure 1 provient du fait que la surface de détection du photodétecteur 17 n'est pas forcément adaptée à la surface occupée par la lumière 16 à collecter dans le plan de ce capteur. Selon une seconde configuration, schématiquement illustrée par la figure 2, on utilise un objectif 24, qui peut se limiter à une unique lentille, pour collecter la lumière diffractée 16 et l'imager de façon optimale, c'est-à-dire envoyer la quasi-totalité de cette lumière, sur la surface de détection du photodétecteur 17.
Pour les deux montages des figures 1 et 2, il est nécessaire de centrer au mieux le photodétecteur 17 et surtout l'objectif 24 sur l'axe central Y associé aux rayons diffractés. Il peut être nettement plus avantageux, pour la fabrication, de disposer un prisme réfléchissant 26 avant l'objectif de collection 24 et le photodétecteur 17 (voir la figure 3) . De la sorte, il est possible de rabattre la lumière diffractée 16 sur un axe Z qui est parallèle à l'axe X de la fibre optique 2. Le milieu 7, dont on veut mesurer l'indice de réfraction, circule alors, suivant la flèche 27, dans un espace de dimensions calibrées, laissé entre la face d'entrée 28 du prisme et la fibre optique 2. La face réfléchissante 30 du prisme est traitée de façon à réfléchir la lumière de façon optimale aux longueurs d'onde de travail.
Pour de la lumière diffractée émergeant de la fibre optique avec des angles de sortie plus faibles que ce qui a été représenté sur la figure 3, il peut être judicieux d'utiliser un prisme dont la face réfléchissante est située sur la gauche de la figure 3. Par ailleurs, si le prisme à face réfléchissante peut être avantageux en terme de réalisation pratique, il est toutefois parfaitement envisageable de réaliser la même fonction avec un miroir plan traditionnel. Enfin, que ce soit dans le cas du prisme à face réfléchissante ou du miroir traditionnel, l'utilisation d'une surface réfléchissante non plus plane mais concave et focalisante, par exemple parabolique, permet de simplifier le montage. En effet, dans ce cas, il n'est plus nécessaire d'utiliser un objectif de collection après le prisme ou le miroir: la surface réfléchissante assure la focalisation sur le photodétecteur 17.
Une évolution supplémentaire peut être apportée à ces architectures de façon à déporter la mesure de la puissance optique Pr. Pour réaliser ce déport, on utilise de nouveau un prisme réfléchissant et un objectif de collection qui, dans ce cas, peut être avantageusement une lentille de type selfoc, reliée à une fibre optique monomode ou multimode. La lumière collectée est alors injectée, par la lentille selfoc, dans la fibre optique qui conduit ensuite la lumière jusqu'à un photodétecteur. Dans ce cas, il est tout à fait possible de déplacer l'instrumentation à plusieurs centaines de mètres, voire plus, de la zone de mesure (suivant les pertes en transmission de la fibre de collection) . Quant à la puissance transmise Ptrr il suffit, pour déporter sa mesure, d'augmenter de façon appropriée la longueur de fibre disponible après le réseau de Bragg. Ceci est schématiquement illustré par la figure 4 où l'on voit la fibre 2 comportant le réseau de Bragg en angle 4 et optiquement couplée, d'un côté, à la source 10 et, de l'autre côté, au photodétecteur 18. On voit également le prisme à face réfléchissante 26, placé en regard du réseau 4, ainsi que la lentille selfoc 32 et la fibre optique monomode ou multimode 34 qui relie cette lentille 32 au photodétecteur 17.
Dans la solution précédente, pour mesurer la puissance optique transmise, il est nécessaire de prolonger la fibre optique jusqu'au photodétecteur 18 après le réseau de Bragg en angle 4. Une autre option permet de travailler selon une configuration de réflexion. Dans ce cas, la même fibre optique est utilisée pour conduire la lumière jusqu'au réseau de Bragg en angle 4 et pour conduire la lumière transmise par le réseau jusqu'au photodétecteur 18, par l'intermédiaire d'une métallisation de l'extrémité de la fibre. Toutefois, il est alors nécessaire de prendre en compte le fait qu'il y a un double passage dans le réseau de mesure. Ce double passage a pour conséquence que la puissance transmise, mesurée par le photodétecteur, est réduite d'un facteur deux par rapport à une mesure selon une configuration en transmission.
Toutefois, l'utilisation d'un coupleur de type 2x2 avec un ratio de 50% réalise intrinsèquement cette correction. Par contre, la puissance associée aux modes radiatifs n'a pas à être corrigée car la lumière diffractée lors du second passage est dirigée de façon diamétralement opposée à celle qui est diffractée lors du premier passage. Elle n'est donc pas récupérée par le système de collection.
Ceci est schématiquement illustré par la figure 5 sur laquelle on voit la fibre optique 2, munie du réseau 4, en regard duquel est placé le système de collection et de couplage 36 (comprenant le prisme 26 et la lentille selfoc 32 dans l'exemple de la figure 4) . A la suite de ce système 36, on trouve la fibre 34 qui est couplée au photodétecteur 17.
A une extrémité de la fibre 2, on trouve encore le photodétecteur 18 tandis que l'autre extrémité est rendue réflectrice par exemple au moyen d'un miroir 38 fixé à cette extrémité. En outre, un coupleur optique 2x2 40 est monté sur cette fibre 2, entre le réseau 4 et le photodétecteur 18, comme on le voit sur la figure 5 et les deux branches restant disponibles de ce coupleur 40 sont respectivement couplée à la source lumineuse 10, par l'intermédiaire d'une fibre optique 42, et laissée libre.
Une variante de cette solution consiste à remplacer le coupleur 2x2 40 par un circulateur optique 42 (voir la Figure 6) . Ce circulateur a trois ports 42a, 42b et 42c comme on le voit sur la figure 6. La lumière passe du port 42a au port 42b, puis du port 42b au port 42c mais ne peut aller, par exemple, du port 42b au port 42a. Cette variante permet d'optimiser le rapport signal sur bruit. Par contre, le double passage dans le réseau de Bragg en angle n'est pas corrigé par ce circulateur comme c'était le cas pour le coupleur 2x2. De façon générale, l'un des intérêts majeurs de la technologie des transducteurs à réseaux de Bragg réside dans les capacités de multiplexage des réseaux sur une même ligne de mesure. Les réseaux de Bragg multiplexes sont identifiés par leurs longueurs d'onde de résonance respectives et l'on parle alors de multiplexage spectral. La technique de réfractométrie connue par le document [1] permet également d'utiliser le multiplexage spectral. Toutefois, en pratique, le nombre de réseaux de Bragg en angle multiplexables est très limité. En effet, la plage spectrale occupée par un unique réseau s'étend typiquement sur 20 à 30 nm. Or, les sources optiques d' interrogation ont des largeurs spectrales inférieures à 100 nm. Par conséquent, sur une même ligne et avec une unique source, on ne peut multiplexer qu'au mieux 3 à 5 transducteurs (réseaux) . Ces chiffres ne constituent pas une limite stricte. Le nombre de réseaux multiplexables peut être légèrement accru par exemple en réduisant la largeur spectrale d'un réseau (au détriment de la dynamique de mesure accessible) ou en combinant plusieurs sources optiques à large bande et des coupleurs optiques à large bande appropriés . Au contraire, dans la technique de réfractométrie conforme à l'invention, que l'on vient d'exposer, on s'affranchit totalement de cette limitation inhérente à l'étendue spectrale des réseaux et des sources optiques. En effet, cette technique ne nécessite plus une mesure spectrale mais seulement une mesure de puissance. Par conséquent, les transducteurs (réseaux) n'ont plus à être multiplexes spectralement .
Il suffit de les monter en série sur une même ligne de mesure et d'associer à chaque réseau une cellule de mesure de la puissance radiative et de la puissance de référence.
Dans le cas où la puissance de référence est la même pour tous les réseaux, on peut la mesurer en fin de ligne mais il est nécessaire de réaliser l'opération de calibrage de chaque réseau une fois la ligne fabriquée. Si l'opération de calibrage est réalisée réseau par réseau, il est alors indispensable d'effectuer une mesure de la puissance transmise après chaque réseau. Ceci est réalisé très simplement en disposant un coupleur optique de prélèvement entre deux réseaux adjacents.
Ceci est schématiquement illustré par la figure 7 sur laquelle on voit une fibre optique 44 dans laquelle sont formés N réseaux de Bragg en angle Ri, R2...RN, N étant un entier au moins égal à 2. Ces réseaux Ri...RN sont formés dans des parties de la fibre 44 qui sont respectivement en contact avec des milieux extérieurs Mi...MN dont on veut mesurer les indices de réfraction.
Sur la fibre 44, dans les N-I intervalles séparant les réseaux Ri...RN, on a également monté N-I coupleurs optiques de prélèvement de lumière Ci, C2 CN-i qui sont respectivement associés aux réseaux Ri, R2...RN-I • Des systèmes de collection et de couplage Si, S2 SN sont respectivement placés en regard des réseaux Ri, R2...RN et sont respectivement couplés à N photodétecteurs Pi, P2...PN par l'intermédiaire de fibres optiques Fi,F2...FN. On voit également N-I autres photodétecteurs Di, D2...DN_i qui sont optiquement connectés respectivement aux coupleurs Ci, C2-CN-I pour récupérer les lumières prélevées par ces derniers. On voit en outre une source de lumière 46 qui est optiquement couplée à une extrémité de la fibre 44 et un autre photodétecteur DN qui est optiquement couplé à l'autre extrémité de la fibre 44 pour récupérer la lumière transmise par le réseau RN. On voit également des moyens de traitement électronique 48 qui sont électriquement reliés aux photodétecteurs Pi...PN et Di...DN et prévus pour déterminer l'indice de réfraction du milieu M1 à partir du rapport des puissances optiques respectivement obtenues à l'aide des photodétecteurs D1 et P1, pour tout i allant de 1 à N.
Le coefficient de prélèvement peut être très faible (quelques %) de façon à ne pas pénaliser les mesures suivantes en ce qui concerne le rapport signal sur bruit. En fixant le coefficient de prélèvement à une valeur raisonnable, par exemple 10%, on peut alors envisager la mise en série d' au moins 5 réseaux, de préférence 5 à 10 réseaux, sur une même ligne de mesure.
Il convient de noter que le montage de la figure 7 est utilisable si les réseaux ont la même réponse spectrale ou des réponses spectrales différentes les unes des autres.
Si tous les réseaux sont sur une même bande spectrale, leur mise en série peut créer des problèmes de rapport signal sur bruit. En effet, la puissance optique disponible sur cette bande doit être partagée entre tous les réseaux. Pour résoudre ce problème, une solution consiste à utiliser également le multiplexage spectral pour exploiter la puissance optique sur toutes les fenêtres spectrales disponibles, au lieu de la simple mise en série de réseaux ayant la même fenêtre spectrale.
Dans ce cas, on met en série des réseaux respectivement centrés sur des fenêtres spectrales différentes, de préférence adjacentes, dont les largeurs respectives sont adaptées à celles des réseaux. Le nombre de fenêtres que l'on peut utiliser est déterminé en fonction de la largeur spectrale utile de la source optique d' interrogation et de celle des réseaux de Bragg en angle. L'ordre des réseaux montés en série n'a aucune importance. Etant donné les largeurs spectrales classiques des réseaux de Bragg en angle, à savoir 20 à 30 nm, et l'étendue spectrale des sources optiques d' interrogation commercialement disponibles (jusqu'à 100 nm) , on dispose donc de 3 à 5 fenêtres spectrales distinctes.
Ceci est schématiquement illustré par la figure 8. Le montage que l'on voit sur cette figure 8 est identique au montage que l'on voit sur la figure 7, à ceci près que les réseaux Ri...RN de la figure 7 sont respectivement remplacé par des réseaux Rfi,Rf2...RfN qui sont centrés sur des fenêtres spectrales adjacentes fl, f2...fN.
Enfin, il est également tout à fait possible de mettre en oeuvre d'autres solutions de multiplexage, par exemple un multiplexage temporel, en utilisant un commutateur optique pour analyser de façon séquentielle plusieurs voies de mesure. Dans le cas où l'on met en oeuvre ce commutateur optique, la puissance de référence peut être mesurée par transmission après chaque capteur (réseau) , ou mesurée par transmission avec une photodiode placée à la fin de la ligne de mesure, ou encore mesurée par réflexion avec une unique photodiode pour toutes les lignes de mesure qui sont reliées au commutateur.
La figure 9 illustre schématiquement le cas où la puissance de référence est mesurée par transmission après chaque réseau. On voit les différentes lignes de mesure L1...Ln (n entier au moins égal à 2), qui sont reliées à une source lumineuse d'interrogation 50 par l'intermédiaire d'un commutateur optique 52. Chaque ligne est du genre de celle qui est représentée sur la figure 8. On voit aussi des moyens de traitement électronique 54 qui sont reliés à tous les photodétecteurs du système de la figure 9.
Sans commutateur optique, le nombre de réseaux multiplexables par voie peut être de l'ordre de 15 à 50. Dans le cas de l'utilisation d'un multiplexage temporel (commutateur optique) , ce nombre est alors multiplié par le nombre de voies du commutateur. Typiquement, on peut trouver dans le commerce des commutateurs 1x8 voire 1x16. On peut ainsi envisager l'interrogation de plus de 90 capteurs (=8x15) .
L'une ou l'autre des solutions présentées ci-dessus peut être améliorée en utilisant une technique de mesure basée sur la détection synchrone. Cette approche consiste à moduler en amplitude le signal de la source optique d' interrogation à une fréquence f. En utilisant une détection synchrone, on peut alors extraire du bruit l'information pertinente sur chacun des deux photodétecteurs du système de mesure. On s'affranchit ainsi par exemple des sources de lumière parasites (lumière ambiante par exemple) . Une telle solution permet surtout d' obtenir un rapport signal sur bruit et donc une résolution de mesure bien meilleurs .
Les exemples de l'invention, qui ont été donnés plus haut, concernent des réseaux de Bragg en angle formés dans des fibres optiques. Cependant, l'homme du métier adaptera aisément ces exemples au cas où les réseaux sont formés dans d' autres guides d' ondes optiques, par exemple des guides d'onde optiques intégrés (monomodes ou multimodes) .
Par rapport à la technique connue par le document [1], la présente invention apporte de nombreuses améliorations. Tout d'abord, la technique de réfractométrie objet de l'invention ne nécessite plus d'effectuer une mesure de la réponse spectrale du réseau de Bragg en angle. Seule une, de préférence seules deux mesure (s) de puissance optique est (sont) requise (s), à savoir une première mesure de la puissance optique diffractée vers les modes radiatifs et, de préférence, une deuxième mesure de la puissance optique transmise par le réseau, en tant que grandeur de normalisation. Le concept de mesure est donc radicalement différent. La conception considérée dans l'invention permet tout d'abord de réduire de façon très importante le coût et la complexité du système (absence d'analyseur de spectre) .
En outre, du point de vue du logiciel, la technique de mesure objet de l'invention ne nécessite qu'un traitement peu important puisqu'elle se limite au rapport entre deux puissances optiques. Alors que pour la technique connue par le document [1], le temps d' acquisition et de traitement du spectre du transducteur (réseau) limitait la bande passante de mesure à 1 Hz . Avec l'invention, on n'est limité en bande passante que par les outils matériels de numérisation. Par conséquent, des cadences de mesure de plusieurs dizaines de kHz sont envisageables. En ce qui concerne les performances métrologiques, les dynamiques de mesure sont tout aussi importantes : on peut effectuer des mesures d'indice de réfraction sur des plages allant de 1,3 à 1,7.
Par ailleurs, la technique objet de l'invention permet d'exploiter toute l'information physique pertinente alors que précédemment la technique de mesure utilisée tronquait cette information : au lieu d'exploiter toute la réponse spectrale, on n'utilisait que les pieds et les sommets des résonances spectrales. De plus, la chaîne de mesure élémentaire se limite à une source optique, deux photodiodes et une carte d'acquisition numérique. Dans le système connu par le document [1], cette chaîne comportait également un analyseur de spectre. En éliminant une source potentielle de bruit de mesure et en exploitant toute l'information physique utile, on augmente à la fois la résolution et la sensibilité de mesure. Ces deux grandeurs sont uniquement limitées par le bruit électronique au niveau des photodétecteurs et des circuits d'amplification de ces derniers ainsi que par la résolution de la carte d'acquisition correspondante.
Enfin, l'invention permet d'envisager de nombreuses solutions de multiplexage: des systèmes de mesure déportés et interfaces avec plusieurs dizaines de réseaux multiplexes sont aisément envisageables.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de mesure de l'indice de réfraction d'au moins un milieu, ce système comprenant :
- au moins un guide d'onde optique (2, 44) ayant des première et deuxième extrémités et comportant au moins un réseau de Bragg en angle (4, Ri...RN, RFI...RFN) , formé dans une partie du guide d'onde, qui est mise en contact avec le milieu, et
- une source de lumière (10, 46, 50) optiquement couplée à la première extrémité du guide d' onde pour y envoyer cette lumière et la faire interagir avec le réseau, ce système étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- des premiers moyens (17, Pi...PN) de mesure de la puissance optique de la lumière diffractée vers le continuum de modes radiatifs, lors de l'interaction de la lumière émise par la source avec le réseau, et
- des moyens de traitement électronique (22, 48, 54) prévus pour fournir la valeur de l'indice de réfraction du milieu à partir de cette puissance optique.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel le guide d' onde optique est une fibre optique
(2, 44) .
3. Système selon la revendcation 1, dans lequel le guide d' onde optique est un guide d' onde optique intégré.
4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les premiers moyens de mesure comprennent un premier photodétecteur (17,
PI-PN) .
5. Système selon la revendication 4, dans lequel les premiers moyens de mesure comprennent en outre une optique (24, 32) prévue pour collecter la lumière diffractée et concentrer celle-ci sur le premier photodétecteur.
6. Système selon la revendication 5, dans lequel l'optique est une lentille ou un objectif (24) ou une lentille de type selfoc (32) .
7. Système selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, dans lequel les premiers moyens de mesure comprennent en outre un prisme (26) à face réfléchissante ou un miroir, par l'intermédiaire duquel l'optique collecte la lumière.
8. Système selon la revendication 4, dans lequel les premiers moyens de mesure comprennent en outre un prisme à face réfléchissante concave ou un miroir concave prévu pour collecter la lumière diffractée et concentrer celle-ci sur le premier photodétecteur.
9. Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, comprenant en outre une fibre optique (34) qui relie l'optique au premier photodétecteur.
10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant en outre des deuxièmes moyens (18, Di...DN) de mesure de la puissance optique de la lumière qui est transmise, par le réseau de Bragg en angle, jusqu'à la deuxième extrémité du guide d'onde optique, et dans lequel les moyens de traitement électronique sont prévus pour déterminer le rapport de la puissance optique de la lumière diffractée vers le continuum de modes radiatifs à la puissance optique de la lumière transmise par le réseau de Bragg en angle.
11. Système selon la revendication 10, dans lequel les deuxièmes moyens de mesure comprennent un deuxième photodétecteur (18, Di...DN) .
12. Système selon la revendication 11, dans lequel les deuxièmes moyens de mesure comprennent en outre une optique (20) prévue pour collecter la lumière transmise et concentrer celle-ci sur le deuxième photodétecteur.
13. Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, comprenant en outre :
- un réflecteur de lumière (38) qui est placé en la deuxième extrémité du guide d' onde optique et prévu pour réfléchir, dans ce guide d'onde optique, la lumière transmise par le réseau de Bragg en angle, et
- des moyens (40, 42) de couplage optique entre, d'une part, la première extrémité du guide d'onde optique et les deuxièmes moyens de mesure et, d'autre part, cette première extrémité et la source de lumière (10) .
14. Système selon la revendication 13, dans lequel les moyens de couplage optique comprennent un coupleur optique (40) de type 2x2 ou un circulateur optique (42) .
15. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, comprenant une pluralité de réseaux de Bragg en angle (Ri...RN) qui ont la même réponse spectrale.
16. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant :
- N réseaux de Bragg en angle (Ri...RN) qui ont la même réponse spectrale, N étant un nombre entier au moins égal à 2, ces réseaux étant comptés à partir de la source,
- pour chaque réseau, des deuxièmes moyens (Di...DN) de mesure de la puissance optique de la lumière transmise par ce réseau, et
- pour chacun des N-I premiers réseaux, un coupleur optique (Ci...CN_i) de prélèvement de lumière, monté sur le guide d'onde optique, entre le réseau associé et le réseau suivant, et prévu pour envoyer la lumière prélevée aux deuxièmes moyens de mesure correspondants, et dans lequel les moyens de traitement électronique (48) sont prévus pour déterminer, pour chaque réseau, le rapport de la puissance optique de la lumière diffractée par ce réseau vers le continuum de modes radiatifs à la puissance optique de la lumière transmise par ce réseau.
17. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, comprenant une pluralité de réseaux de Bragg en angle dont les réponses spectrales sont différentes les unes des autres.
18. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, comprenant : - N réseaux de Bragg en angle (Ri...RN) dont les réponses spectrales sont différentes les unes des autres , N étant un nombre entier au moins égal à 2, ces réseaux étant comptés à partir de la source, - pour chaque réseau, des deuxièmes moyens
(Di...DN) de mesure de la puissance optique de la lumière transmise par ce réseau, et
- pour chacun des N-I premiers réseaux, et un coupleur optique (Ci...CN-i) de prélèvement de lumière, monté sur le guide d'onde optique, entre le réseau associé et le réseau suivant, et prévu pour envoyer la lumière prélevée aux deuxièmes moyens de mesure correspondants, et dans lequel les moyens de traitement électronique (48) sont prévus pour déterminer, pour chaque réseau, le rapport de la puissance optique de la lumière diffractée par ce réseau vers le continuum de modes radiatifs à la puissance optique de la lumière transmise par ce réseau.
19. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, comprenant :
- N réseaux de Bragg en angle (RFi...RFN) , qui sont centrés sur des fenêtres spectrales différentes les unes des autres, N étant un nombre entier au moins égal à 2, ces réseaux étant comptés à partir de la source,
- pour chaque réseau, des deuxièmes moyens (Di...DN) de mesure de la puissance optique de la lumière transmise par ce réseau, et - pour chacun des N-I premiers réseaux, un coupleur optique (Ci...CN-i) de prélèvement de lumière, monté sur le guide d'onde optique, entre le réseau associé et le réseau suivant, et prévu pour envoyer la lumière prélevée aux deuxièmes moyens de mesure correspondants, et dans lequel les moyens de traitement électronique (48) sont prévus pour déterminer, pour chaque réseau, le rapport de la puissance optique de la lumière diffractée par ce réseau vers le continuum de modes radiatifs à la puissance optique de la lumière transmise par ce réseau.
20. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, comprenant une pluralité de guides d'ondes optiques et des moyens de commutation optique (52), prévus pour envoyer successivement la lumière fournie par la source dans les guides d'ondes optiques .
21. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, dans lequel la lumière fournie par la source est modulée en amplitude, à une fréquence prédéfinie, et une technique de détection synchrone est mise en oeuvre avec les moyens de mesure pour récupérer la puissance optique fournie par ces moyens de mesure.
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