EP2038640A1 - Capteur a base de fibre optique microstructuree et a reseau de bragg - Google Patents

Capteur a base de fibre optique microstructuree et a reseau de bragg

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Publication number
EP2038640A1
EP2038640A1 EP07765393A EP07765393A EP2038640A1 EP 2038640 A1 EP2038640 A1 EP 2038640A1 EP 07765393 A EP07765393 A EP 07765393A EP 07765393 A EP07765393 A EP 07765393A EP 2038640 A1 EP2038640 A1 EP 2038640A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber
core
channels
sensor
bragg grating
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Withdrawn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
EP07765393A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Minh Chau Phan Huy
Véronique DEWYNTER-MARTY
Guillaume Laffont
Pierre Ferdinand
Wilfried Blanc
Bernard Dussardier
Dominique Pagnoux
Philippe Roy
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.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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 Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2038640A1 publication Critical patent/EP2038640A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • 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
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
    • 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
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N2021/0346—Capillary cells; Microcells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/0303—Optical path conditioning in cuvettes, e.g. windows; adapted optical elements or systems; path modifying or adjustment

Definitions

  • the invention relates to optical fibers and optical fiber sensors.
  • Fiber optic and network sensors Fiber Bra ⁇ Gratinas, or FBG
  • a first solution consists in associating a conventional optical fiber of circular section whose cladding has been attacked with hydrofluoric acid, with a Bragg grating with straight lines inscribed in the core of this fiber.
  • the medium of which a parameter is to be measured coats the zone "attacked" by the acid.
  • the fiber obtained according to this first solution has great fragility since the diameter of the fiber is extremely small. This fragility proves particularly detrimental for certain uses of the fiber, and therefore limits the possible applications of such a fiber.
  • a fiber sensor is for example described in the document "High resolution refractive index sensor by using thinned Fiber Bragg Grating," Proceedings of SPIE 5502, pp. 251-254 (2004) (A. Iadicicco, A. Cusano, A. Cutolo and M. Giordano).
  • a second solution is based on a D-shaped fiber section profile. The fiber cladding can be chemically etched, even polished or mechanically etched, while a straight-drawn Bragg grating is inscribed in the core of the fiber. ci (K.
  • the D-shaped profile exhibits better sensitivity to the refractive index of the medium surrounding the grating than in the case of a straight-line Bragg grating inscribed in a conventional fiber.
  • chemical attack or machining weakens the fiber and therefore induces the aforementioned drawbacks.
  • D-fibers to a robust transducer (mechanically weakened fiber) and only allow for seconds (networks in angles or long pitch) that a multiplexing reduced to a very small number of sensors on the same fiber.
  • sensors combining microstructured fibers and Bragg gratings are already known, in particular in order to offer a high sensitivity to the refractive index of the medium to be analyzed (MC Phan Huy, G. Laffont, V. Dewynter- Marty, P.erson, P. Roy, JM Blondy, D. Pagnoux, W. White, and B. Dussardier, "Inscription of Bragg grating transducers in microstructured fibers for refractometric applications").
  • the microstructured fibers are generally made of silica, but can also be made of plastic.
  • these fibers may be made, for example, of polymethyl methacrylate, also known as PMMA, of polystyrene, of fluoropolymer or of CYTOP, which is a transparent fluororesin with a non-crystalline structure and whose designation is protected by Mark.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • CYTOP fluoropolymer
  • These fibers made of plastic can also be obtained by gel sol.
  • microstructured fibers comprise a certain number of longitudinal channels within the optical cladding, these channels possibly being able to be filled with a solid, liquid or gaseous material, suitably chosen for transduction.
  • These microstructured fibers also comprise a solid core, liquid or gas allowing the guidance of the light by total reflection or by Photonic Interdefined Bands, depending on the configuration. These fibers make it possible to define with flexibility, during their design, the optogeometric characteristics of the optical guide and its sheath and to define fibers dedicated to specific optical functions (telecommunications, metrology, etc.).
  • microstructured fibers conventionally developed, for the needs of telecom for example, do not make it possible to obtain the high sensitivity sought in applications such as measurements of refractive index, absorption, fluorescence, etc.
  • the profile of these fibers does not allow sufficient interaction between the mode of the guided optical wave propagating in the heart and the product to be analyzed.
  • An object of the invention is to propose a Bragg grating sensor having improved sensitivity, for the detection and measurement of any physico-chemical parameter having an influence on the effective index of the propagation mode of an electromagnetic wave, such as refractive index, density, concentration, luminescence, fluorescence, phosphorescence, decay time of fluorescence etc.
  • Another object of the invention is to provide a microstructured Bragg grating fiber offering a great flexibility of use and in particular (but not limitation) to obtain a high sensitivity to the refractive index of the product to be analyzed.
  • the invention relates to a Bragg grating fiber sensor comprising a source and a detection system operating at a given study wavelength, as well as a Bragg grating fiber connected to said source and said system.
  • said fiber being a microstructured optical fiber whose sheath comprises channels adjacent to the core of the fiber, able to receive an analyte, characterized in that the number of channels adjacent to the core is between 2 and 5, and in that that the diameter of the heart of the fiber is adapted so that a Electromagnetic field of a fiber-guided wave is not confined in the core of the fiber, the electromagnetic field extending into the channels.
  • the interaction between the evanescent field of the guided wave and the product to be analyzed is increased.
  • the sensitivity of the sensor is improved.
  • - core diameter is between 0.5 ⁇ m and 20 ⁇ m, - the core diameter is between 3 ⁇ m and 5 ⁇ m for a study wavelength of the order of 1.55 ⁇ m,
  • At least one Bragg grating is inscribed in the core of the fiber
  • the Bragg grating is at a pitch of less than 10 ⁇ m, the channels are separated from each other by radial bridges whose thickness is between 0.01 ⁇ m and 10 ⁇ m,
  • the fiber comprises exactly three channels adjacent to the core, the fiber is made of silica or plastic, the plastic being made in particular from PMMA, polystyrene, a fluoropolymer or CYTOP,
  • the core of the fiber is made of pure silica, or doped, or of plastic material, the plastic being made in particular from PMMA, polystyrene, a fluoropolymer or
  • the senor also comprises a system for introducing and / or extracting the product to be analyzed in at least one of the channels.
  • the sensor is arranged to collect the waves reflected or transmitted by the Bragg grating.
  • the invention also relates to a microstructured fiber Bragg grating that comprises a sensor according to the invention.
  • the invention also relates to a method for determining the structure of such a fiber according to which the diameter of the core of the fiber is determined by fixing a given level of confinement and a given core diameter, in that determines by modeling the sensitivity of the fiber having a core of the given diameter to the refractive index of an analyte, and in that it changes this given core diameter iteratively according to the sensitivity determined.
  • the invention proposes the use of the sensor according to any one of the preceding characteristics for the measurement of a physico-chemical parameter having an influence on the effective index of the propagation mode, for example the refractive index, the absorption coefficient, the density, the concentration, the luminescence, the fluorescence, the phosphorescence, the decay time of the fluorescence.
  • a physico-chemical parameter having an influence on the effective index of the propagation mode, for example the refractive index, the absorption coefficient, the density, the concentration, the luminescence, the fluorescence, the phosphorescence, the decay time of the fluorescence.
  • Figure la is a radial section of the fiber according to one embodiment.
  • Figure 1b is an axial section of the fiber according to Figure 1.
  • Figures 2a to 2d are radial sections of fibers according to other embodiments.
  • Figure 3a is a diagram of a sensor according to one embodiment.
  • Figures 3b and 4a to 4c are sensor diagrams according to other embodiments.
  • This fiber 1 consists of a core 2, surrounded by a sheath 5.
  • the sheath 5 has a plurality of parallel longitudinal channels 3.
  • channels 3 are adjacent to the core 2 and arranged to form a ring.
  • each channel 3 is delimited radially by the periphery 4 of the sheath 5 outward, and through the heart 2 inward.
  • Each channel 3 is also delimited tangentially by the radial bridges 7.
  • the core 2 may be made of pure silica, by omission of channel 3 in the central zone (central defect) of the silica matrix.
  • the core 2 can also be doped with germanium, for example. This doping makes it possible to modify the transmission characteristics in the core 2, while conferring on the core a photosensitive character allowing the photo-inscription of Bragg gratings.
  • the sheath 5 and the radial bridges 7 are optionally doped silica, and the channels 3 are filled with air or with a medium of refractive index lower than that of the core (2).
  • the microstructured fiber could be made of plastic, and in particular from polymethyl methacrylate also known as PMMA, polystyrene, a fluoropolymer, or even CYTOP.
  • the diameter of the peripheral sheath 4 is, for example between 50 microns and 500 microns, and that of heart 2 between 1 micron and 20 microns.
  • a Bragg grating inscribed in the core of a fiber constitutes a network having several tens or even thousands of periods or "steps" modifying the refractive index of the fiber. heart of the optical fiber.
  • This type of network behaves like a filter for a spectral band centered on a characteristic wavelength ⁇ B called Bragg. This wavelength depends on the pitch ⁇ of the grating, and on the refractive index that "sees" the propagation mode called effective index rieff of the guided mode.
  • any modification of the effective index n e ff or of the pitch ⁇ of the network causes a proportional variation of the wavelength ⁇ B.
  • This Bragg grating 6 has a short pitch, the pitch typically being between 0.1 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the Bragg grating 6 may be inscribed using a continuous laser (for example at 244 nm), in particular if the core is in silica doped with germanium, for example.
  • the Bragg grating 6 can also be inscribed using a laser operating in pulsed mode (as at 193 nm), if the core is for example pure silica or plastic type. Behavior in operation, constraints that influence performance, benefits provided by this fiber.
  • the incident light propagates in the core 2 of the fiber 1 surrounded by channels 3.
  • the refractive index of the core 2 of the fiber is necessarily greater than that of the air.
  • the effective index of the guided mode then has an initial value, between the value of the refractive index of the sheath 5 and the value of the refractive index of the core 2.
  • this grating 6 extracts a thin spectral band centered around the characteristic wavelength ⁇ B.
  • an analyte is introduced into at least one of the channels 3, for example in the form of a liquid or a gas.
  • This product introduction can be obtained by immersing one end of the fiber, or can be performed by means of an injection device and withdrawal or extraction of the product inside the channels.
  • the refractive index of the product which is greater than the refractive index of the air, tends to substantially increase the average refractive index of the sheath 5.
  • the difference between the refractive indices of the sheath 5 and the core 2 is therefore reduced.
  • the light propagating in the fiber 1 is no longer exclusively guided by total reflection and the number of guided modes decreases.
  • the refractive index of the guided mode always between the refractive indices of the sheath 5 and the core 2, increases.
  • the variation of the refractive index of the guided mode in turn causes, in accordance with equation (1), a variation of the characteristic wavelength of the grating 6.
  • the refractive index of the guided mode increasing, the length Bragg's characteristic wavelength shifts to long wavelengths.
  • the amplitude of the spectral shift is related to the variation of the refractive index of the guided mode and therefore to the refractive index of the inserted product.
  • the monitoring of the refractive index of the product introduced makes it possible, in fine, to detect or measure any physico-chemical parameter having an influence on the effective index of the propagation mode, such as, for example, the refractive index, the concentration , density etc.
  • the fiber according to the embodiment presented makes it possible to considerably improve the sensitivity of the detection of this physicochemical parameter by offering a particularly optimized fiber profile.
  • This improved sensitivity is achieved through a fiber profile to increase the interaction between the product inserted in the channels 3 and the guided mode.
  • the penetration of the electromagnetic field in the sheath 5 and the channels 3 depends closely on the wavelength. At short wavelengths, the light remains confined in the core 2 of the fiber 1 and penetrates little into the channels 3 of the fiber, whereas at longer wavelengths, the light extends deeper into the fibers. channels 3.
  • the profile is determined so as to obtain large channels 3 which are brought closer to the heart 2.
  • the overlap between the evanescent field and the product to be analyzed is then extended, and the interaction between the fundamental mode and the inserted product is increased.
  • Increasing the size of the channels 3 makes it possible to easily introduce the product to be analyzed and to obtain a sheath 5 whose average refractive index is strongly influenced by the refractive index of the product filling the channels 3.
  • the ideal would be to have a microstructured fiber consisting of an air ring surrounding the core 2. Such a fiber 1 is shown in FIG. 2a.
  • the presence of radial bridges 7 is however essential for the physical strength of the fiber 1.
  • the fiber 1 according to this embodiment therefore has a ratio of the silica area constituting the sheath 5 to the area of the channels 3 also as small as possible, the thickness of the radial bridges 7 being reduced to the technically feasible minimum in order to ensure only a function of physical retention of the core 2.
  • the thickness of the bridges 7 of silica, according to a radial section of the fiber is typically between 0.01 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • channels 3 also makes it possible to bring the product to the Bragg grating 6, and does not require the network 6 to be dipped into the product to be analyzed. This feature provides many advantages in terms of simplicity and flexibility of use.
  • the diameter of the core must also be minimized to increase the coverage between the evanescent field and the medium to be analyzed and so that the fiber is single-mode or low multimode.
  • the determination of the diameter of the core 2 results from a compromise between the confinement of the electromagnetic field and the intensity of the optical signal. Indeed, the reduction of the diameter of the core 2 is limited because it induces a loss of the optical signal. It is therefore necessary to maintain a dimension of the core diameter 2 sufficient to ensure the guiding of the light. A too small diameter of core 2 also has the consequence of making complex the inscription of the Bragg grating 6.
  • a core diameter 2 is considered to be of the order of the study wavelength when it makes it possible to optimally respect the compromise between the guiding quality and the confinement of the electromagnetic field.
  • the diameter of the core 2 is determined by setting a desired confinement level and then running finite element modeling software typically with a given core diameter. Based on the results obtained by modeling relating to the sensitivity of the resonance wavelength of the Bragg grating 6 to the refractive index of the product, the diameter of the core 2 of the fiber 1 is changed.
  • the profile of the fiber 1 has a core 2 whose diameter is even smaller than the study wavelength is short.
  • the fiber 1, whose profile is thus optimized as a function of the study wavelength, makes it possible to ensure a strong interaction between the evanescent field and the product to be analyzed, and consequently has a high sensitivity of the wavelength. resonance of the Bragg grating 6 at the refractive index of this product. In addition, this high sensitivity is obtained over a wide range of refractive indices, even for liquids with a refractive index close to that of water.
  • the dimensions of such a fiber 1 are indicated, by way of non-limiting example, in the remainder of this description.
  • the profile of the fiber 1 must be adapted to the wavelength studied as indicated above.
  • the application that is made of the fiber 1 must also be taken into account in the design of the profile of this fiber.
  • the constraints imposed by the particular uses of the fiber 1 vary from one application to another, and consequently influence the design of the profile of this fiber.
  • the number and the thickness of the radial bridges 7 can be adapted according to the mechanical constraints imposed by a particular use of the fiber 1.
  • radial bridges 7 in addition to the peripheral sheath 5 surrounding the core 2 ensures good maintenance of the entire structure of the fiber, thus providing it with great strength and many possibilities of use.
  • the sensitivity of the detection of the proposed fiber is independent of the total diameter of the fiber, it can be increased to improve the mechanical characteristics of the fiber. This increase in the total diameter of the fiber, carried out while maintaining a profile in accordance with the teaching previously indicated, does not diminish the sensitivity of the detection of the refractive index of the product.
  • the opto-geometric characteristics of the fiber such as the number of radial bridges 7, the thickness of these bridges 7, the dimension of the bridges 7, it is carried out according to the iterative method mentioned previously in connection with the determining the diameter of the core 2 of the fiber 1. This same iterative method also makes it possible to take fibering constraints into account in designing the profile of the fiber.
  • many fiber profiles can be considered respecting the teaching presented above. Several of these profiles are shown in Figures 2a to 2d.
  • FIG. 2a shows a fiber comprising a core surrounded by an air ring or a material of index inferior to that of the core 2.
  • the fiber shown in FIG. 2b comprises a single radial bridge
  • the fiber of FIG. 2c has two radial bridges arranged on the same diameter
  • the fiber of FIG. 2d has five radial bridges.
  • the fiber 1 associated with a signal analysis device from the Bragg grating 6, thus makes it possible to quantify or detect the variation of any physico-chemical parameter having an influence on the index. effective propagation mode such as refractive index, density, concentration, luminescence, fluorescence, phosphorescence, decay time of fluorescence etc.
  • the fields of application of such a fiber 1 are therefore particularly varied and include in particular the analysis of products in the food industry, microbiology, the environment, biology, biochemistry, measurements in aqueous solution, the new techniques of biological analysis, immunoassay, etc.
  • the fiber 1 comprises a core 2 doped with Germanium.
  • the fiber 1 comprises three channels 3 surrounding the core 2.
  • the channels 3 are adjacent to the core 2. These channels 3 are separated from each other by very thin radial bridges 7 extending from the periphery 4 of the silica sheath 5 to the heart 2 doped with Germanium.
  • each channel 3 is delimited radially by the periphery 4 of the sheath 5 and by the core 2, as well as tangentially by the radial bridges 7.
  • the channels have a substantially identical section in a radial section of the fiber.
  • This fiber 1 complies with the principles of design of previously mentioned profiles in order to increase the interaction between the electromagnetic field and the medium inserted in the channels 3.
  • the profile of the fiber 1 is defined so that the diameter of the core 2 is of the order of the study wavelength.
  • the core diameter is between 3 microns and 5 microns.
  • the proportions of the core 2 shown in the diagrams of Figures la and Ib voluntarily do not comply with the actual proportions.
  • the area of each of the channels 3 is of the order of 1500 ⁇ m 2 .
  • the thickness of the silica bridges 7 is defined so that the ratio of the silica area comprising the sheath 5 to the area of the channels 3 is reduced to the maximum while ensuring physical retention of the fiber.
  • the thickness of these bridges 7 may be between 0.01 microns and 10 microns.
  • the fiber 1 is then introduced into the hydrogenation tube and is sufficiently hydrogenated, for example for two weeks at 180 bar and at 25 ° C.
  • a Bragg grating 6 for example short-pitch, whose pitch is of the order of 0.5 microns for a working wavelength of 1.5 microns.
  • the photo-inscription of the Bragg grating 6 is carried out with a continuous laser (for example at 244 nm).
  • the inscription of the Bragg 6 network is done using a registration bench used for the registration of networks in conventional fibers: either a Lloyd mirror bench or a mask bench. phase, or any optical system to create the required interference pattern.
  • the networks 6 inscribed in this microstructured fiber 1 typically have a reflectivity of the order of 70%, but can equally well reach any reflection coefficient chosen during the photo-inscription.
  • the profile of the fiber induces a birefringence that lifts the degeneracy of the modes.
  • a doubling of the Bragg peak associated with the fundamental mode corresponding to the polarization states of the light appears.
  • the addition of a polarization controller between the source and the microstructured fiber favors one of the polarizations and therefore one of the resonance lines.
  • By modifying the state of polarization of the light of the source placing itself in the case where one of the polarizations is favored, only one of the resonances is observed on the spectral response in transmission and reflection of the Bragg grating.
  • the polarization controller thus disposed makes it possible to follow the evolution of this resonance as a function of the refractive index of the product inserted into the channels of the fiber.
  • This device makes it possible to follow the evolution of this resonance as a function of the refractive index of the medium inserted in the channels 3 of the fiber.
  • the Bragg grating 6 is arranged in the fiber 1 so as to leave only 1 cm of microstructured fiber between this network 6 and the downstream end 21 of this fiber 1 (the downstream end 21 being determined with reference to the propagation of incident light). For example, by cleaving the end of the fiber, it opens all the channels, which allows to introduce a liquid by capillarity in each of these channels simultaneously. A cleavage is to create a small incipient break at the periphery of the fiber, and then bend it until it breaks. The break occurs at the location of the primer and a clean cut is obtained and perpendicular to the axis of the fiber.
  • the fact that the Bragg grating is located near the end reduces the length of fiber that it is necessary to fill before reaching the network.
  • the combination of a microstructured fiber with a Bragg grating 6 short pitch collects light reflected by the Bragg grating 6.
  • the downstream end 21 of the fiber 1 is immersed in a product whose physical parameter is studied.
  • the fiber 1 described in this embodiment has a high sensitivity of transduction during the measurements, and thus makes it possible to obtain particularly satisfactory results.
  • the spectral shift of the Bragg resonance is several nm when one inserts in the three channels 3 of the fiber 1 a liquid of refractive index of the order of 1.3 (refractive index close to that of water).
  • the spectral shift is only 0.1 nm for a fiber having six channels and which has not been optimized according to the previously mentioned principles (MC Phan Huy et al. al., "Fiber
  • the sensitivity of this fiber 1 thus represents an improvement of more than an order of magnitude and more than two orders of magnitude with respect to the sensitivities obtained with an 18-hole fiber and a 6-hole fiber, respectively.
  • the sensitivity obtained with a fiber 1 having a profile according to this example is of the order of 10 "5 uir / pm (unit of refractive index by picometer) while this sensitivity is of the order of 10 " 4 uir / pm and 10 "3 uir / pm for an 18-hole fiber and a 6-hole fiber respectively.
  • the profile of the fiber 1, produced according to this exemplary embodiment thus allows a remarkable sensitivity of the resonance wavelength of the Bragg grating 6 to the value of the refractive index of the product present in the channels 3 of the fiber. .
  • FIGS. 3a and 3b show a sensor 100 comprising a fiber 1 of the type of those described above.
  • the sensor 100 can be declined according to several embodiments. These various embodiments can be classified into two categories, depending on whether the Bragg grating 6 inscribed in the core 2 of the fiber 1 operates in reflection or in transmission.
  • the sensors 100 operating in reflection comprise a source 105 of light, a detection system 101, a coupler 102, conventional fibers forming connecting arms 110, 112, 113, a microstructured fiber 1 Bragg grating, a system of FIG. alignment 103 of an end 111 of the connecting arm 113 to the microstructured fiber 1. Two examples of these sensors 100 are shown in Figure 3a and 3b.
  • the source 105 emits light which reaches a coupler 102 via a first arm 110.
  • Half of the beam is guided to the microstructured Bragg grating fiber by a second arm 113 of the coupler.
  • a third arm 112 of the coupler 102 is connected to the detection system 101 which makes it possible to acquire the data and to follow in real time the spectral shift of the guided mode Bragg wavelength with the progression of the liquid in the channels 3 fiber.
  • the microstructured fiber 1 is connected to the end 111 of the connecting arm 113 of the optical fiber coming from the coupler 102 by a system 103 for aligning these two fibers and for optimizing the level of the output signal. Another possibility is to weld these two fibers together.
  • the free end of the microstructured fiber 1 is in turn immersed in the product to be analyzed.
  • the Bragg grating 6 inscribed in the core 2 of the fiber 1 is at short pitch. This particular type of Bragg grating 6 has the advantage of offering the possibility of operating in reflection. So the network
  • This network layout 6 offers considerable benefits, including a great deal of flexibility in use.
  • such a sensor 100 has a simple configuration, which is particularly advantageous for certain applications.
  • Another advantage also lies in the possibility of multiplexing several sensors with a number of ad hoc networks, and this more densely than with inclined lines networks.
  • straight-line networks have a spectrum width (typically 0.2 nm) about a hundred times less than the spectrum width of slanted gratings.
  • a spectrum width typically 0.2 nm
  • the sensor 100 shown in FIG. 3b operates according to the same general principle as the sensor 100 of FIG. 3a.
  • this sensor 100 comprises, at the end of the microstructured fiber 1, a system
  • the sensors 100 of the second category operate in transmission.
  • the source 105 is connected to one end of a fiber 1 according to one of the embodiments indicated above.
  • the other end of this fiber 1 is connected to the detection system 101.
  • Means 301, 302 allow the flow of the product to be analyzed in the channels 3 of the fiber.
  • the circulation of the product to be analyzed in the channels 3 can be carried out in both directions.
  • the optical source 105 is directly connected to one end of the fiber 1.
  • a system 300 allowing insertion and / or extraction of the product by the end of one or more channels (3) of fiber 1, and recovering and analyzing the optical signal at the output of the core (2) of the fiber 1.
  • the Bragg grating microstructured fibers which have just been described have an optimized fiber profile allowing a significant improvement in the measurement of the refractive index of an environment to be analyzed.
  • the optimized profile of these fibers increases the interaction between the guided mode and the medium inserted into the channels and therefore allows to offer a high sensitivity of the wavelength of the Bragg resonance to the refractive index of the medium. to analyze. This also results in a high sensitivity to changes in the optical parameters and in particular to the refractive index as a function of the resonance wavelength over a wide range of refractive indices.
  • the sensitivity of the detection of this type of fiber is not dependent on the total fiber diameter, it can be increased to improve certain characteristics of the fiber, including mechanical, without decreasing the detection performance.
  • the fibers which have just been described make it possible to detect and measure any physicochemical parameter having an influence on the effective index of the propagation mode, such as, for example, the refractive index, the absorption coefficient, density, concentration, luminescence, fluorescence, phosphorescence, decay time of fluorescence etc.
  • the arrangement of the sensor which makes it possible to operate in reflection, also offers flexibility and simplicity of implementation, which also contributes to increasing the scope of the possible application domains. Of course, multiplexing of several measurement points are possible on the same fiber.

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Abstract

L'invention concerne un capteur (100) à fibre à réseau de Bragg comportant une source (105) et un système de détection (101) fonctionnant à une longueur d'onde d'étude donnée, ainsi qu'une fibre (1) à réseau de Bragg (6) reliée à ladite source et au dit système, ladite fibre étant une fibre optique microstructurée dont la gaine (5) comprend des canaux (3) adjacents au coer (2) de la fibre (1), aptes à recevoir un produit à analyser, caractérisé en ce que le nombre de canaux (3) adjacents au coer (2) est compris entre 2 et 5, et en ce que le diamètre du coer (2) de la fibre (1) est adapté pour qu'un champ électromagnétique d'une onde guidée par la fibre ne soit pas confiné dans le coer (2) de la fibre (1), le champ électromagnétique s'étendant dans les canaux (3).

Description

CAPTEUR A BASE DE FIBRE OPTIQUE MICROSTRUCTUREE ET A RESEAU
DE BRAGG
DOMAINE GENERAL L'invention concerne les fibres optiques et les capteurs à fibres optiques.
Une des applications classiques des fibres optiques concerne en effet le domaine de l'instrumentation optique et des capteurs.
Dans ce domaine, d'importants besoins sont exprimés pour des systèmes intégrés, interrogeables à distance et très sensibles à des paramètres divers comme la température, l'indice de réfraction etc.
Pour répondre à ces besoins, des solutions consistant à associer la technologie des fibres optiques à celle des réseaux de Bragg ont été proposées, notamment pour améliorer la sensibilité de la mesure de paramètres optiques tels que l'indice de réfraction, ou le coefficient d'absorption d'un milieu donné.
ART ANTERIEUR
Capteurs à fibre optique et à réseau de Braαα (Fiber Braαα Gratinas en anglais, ou FBG)
De nombreuses solutions ont déjà été proposées, qui intègrent un réseau de Bragg photo-inscrit à une fibre conventionnelle.
Une première solution consiste à associer une fibre optique conventionnelle de section circulaire dont la gaine a été attaquée à l'acide fluorhydrique, avec un réseau de Bragg à traits droits inscrit au cœur de cette fibre.
Le milieu dont un paramètre est à mesurer enrobe la zone « attaquée » par l'acide.
La fibre obtenue selon cette première solution présente une grande fragilité puisque le diamètre de la fibre est extrêmement réduit. Cette fragilité s'avère particulièrement préjudiciable pour certaines utilisations de la fibre, et limite par conséquent les applications possibles d'une telle fibre. Un tel capteur à fibre est par exemple décrit dans le document "High resolution refractive index sensor by using thinned Fiber Bragg Grating," Proceedings of the SPIE 5502, pp 251-254 (2004) (A. Iadicicco, A. Cusano, A. Cutolo et M. Giordano). Une seconde solution repose sur un profil de section de fibre en forme de D. La gaine de la fibre peut être attaquée chimiquement, voire polie ou attaquée mécaniquement, tandis qu'un réseau de Bragg à traits droits est inscrit dans le cœur de celle-ci (K. Zhou, X. Chen, L. Zhang and I. Ben n ion, "Optical chemsensors based on etched fiber Bragg gratings in D-shape and multimodes fibers". OFS2005, pp. 158, 161. Proc. SPIE vol. 5855).
Le profil en forme de D présente une meilleure sensibilité à l'indice de réfraction du milieu entourant le réseau que dans le cas d'un réseau de Bragg à traits droits inscrit dans une fibre conventionnelle. Cependant, l'attaque chimique ou l'usinage fragilise la fibre et induit par conséquent les inconvénients précités.
D'autres solutions proposent également d'inscrire un réseau de Bragg à pas longs ou à traits inclinés dans le cœur d'une fibre conventionnelle. Une fibre conventionnelle dans le cœur de laquelle est inscrit un réseau de Bragg à pas longs est décrite par S. Khaliq, S. W. James et R. P. Tatam dans "Enhanced sensitivity fibre optic long period grating température sensor," Meas. Sci. Technol. 13, pp. 792-795 (2002).
G. Laffont et P. Ferdinand proposent une fibre conventionnelle dans le cœur de laquelle est inscrit un réseau de Bragg à traits inclinés ("Tilted short-period fiber-Bragg-grating-induced coupling to cladding modes for accu rate refractometry," Meas. Sci. Technol. 12 (7) pp765-70 (2001)).
Pour effectuer l'analyse d'un milieu environnant, ce type de réseau de Bragg, la partie de fibre où est localisé ce réseau doit être entièrement plongée dans le milieu à sonder. Cette contrainte restreint sensiblement la flexibilité de l'utilisation d'une telle fibre. De plus l'obtention et l'utilisation des fibres proposées par ces différentes techniques sont souvent complexes, ce qui limite encore substantiellement l'étendue des domaines d'application dans lesquels de telles fibres peuvent être utilisées. Ces différentes solutions ne conduisent pas pour les premières
(fibres en D) à un transducteur robuste (fibre fragilisée mécaniquement) et ne permettent pour les secondes (réseaux en angles ou à pas long) qu'un multiplexage réduit à un très petit nombre de capteurs sur une même fibre.
Capteurs à fibres microstructurées
On connaît déjà par ailleurs des capteurs combinant des fibres de type microstructurées et des réseaux de Bragg, notamment afin d'offrir une grande sensibilité à l'indice de réfraction du milieu à analyser (M. C. Phan Huy, G. Laffont, V. Dewynter-Marty, P. Ferdinand, P. Roy, J-M. Blondy, D. Pagnoux, W. Blanc, and B. Dussardier, "Inscription de transducteurs à réseaux de Bragg dans des fibres microstructurées pour des applications en réfractométrie").
Les fibres microstructurées sont généralement réalisées en silice, mais peuvent aussi être réalisées en plastique. Ainsi, ces fibres peuvent être réalisées par exemple en polyméthacrylate de méthyle également désigné PMMA, en Polystyrène, en polymère fluoré ou en CYTOP qui est une fluoro-résine transparente à structure non cristalline et dont la désignation fait l'objet d'une protection par marque. Ces fibres réalisées en plastique peuvent aussi être obtenues par voie sol gel.
Ces fibres microstructurées comportent un certain nombre de canaux longitudinaux au sein de la gaine optique, ces canaux pouvant éventuellement être remplis d'un matériau solide, liquide ou gazeux, convenablement choisi pour la transduction. Ces fibres microstructurées comprennent également un cœur solide, liquide ou gazeux permettant le guidage de la lumière par réflexion totale ou par Bandes Interdites Photoniques, suivant la configuration. Ces fibres permettent de définir avec souplesse, lors de leur conception, les caractéristiques optogéométriques du guide optique et de sa gaine et de définir des fibres dédiées à des fonctions optiques spécifiques (télécommunications, métrologie...). Toutefois, les fibres microstructurées classiquement développées, pour les besoins des télécoms par exemple, ne permettent pas d'obtenir la forte sensibilité recherchée dans des applications telles que les mesures d'indices de réfraction, d'absorption, de fluorescence etc. Le profil de ces fibres n'autorise en effet pas une interaction suffisante entre le mode de l'onde optique guidée se propageant dans le cœur et le produit à analyser.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Un but de l'invention est de proposer un capteur à réseau de Bragg présentant une sensibilité améliorée, pour la détection et la mesure de tout paramètre physico-chimique ayant une influence sur l'indice effectif du mode de propagation d'une onde électromagnétique, comme par exemple l'indice de réfraction, la densité, la concentration, la luminescence, la fluorescence, la phosphorescence, le temps de décroissance de la fluorescence etc.
Un autre but de l'invention est de proposer une fibre microstructurée à réseau de Bragg offrant une grande souplesse d'utilisation et notamment (mais non limitativement) permettant d'obtenir une grande sensibilité à l'indice de réfraction du produit à analyser.
Notamment l'invention concerne un capteur à fibre à réseau de Bragg comportant une source et un système de détection fonctionnant à une longueur d'onde d'étude donnée, ainsi qu'une fibre à réseau de Bragg reliée à ladite source et au dit système, ladite fibre étant une fibre optique microstructurée dont la gaine comprend des canaux adjacents au cœur de la fibre, aptes à recevoir un produit à analyser, caractérisé en ce que le nombre de canaux adjacents au cœur est compris entre 2 et 5, et en ce que le diamètre du cœur de la fibre est adapté pour qu'un champ électromagnétique d'une onde guidée par la fibre ne soit pas confiné dans le cœur de la fibre, le champ électromagnétique s'étendant dans les canaux.
Avec un tel capteur, l'interaction entre le champ évanescent de l'onde guidée et le produit à analyser est augmentée. La sensibilité du capteur en est améliorée.
Un tel capteur peut en outre être défini par les caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :
- diamètre du cœur est compris entre 0,5 μm et 20 μm, - le diamètre du cœur est compris entre 3 μm et 5 μm pour une longueur d'onde d'étude de l'ordre de 1,55 μm,
- au moins un réseau de Bragg est inscrit dans le cœur de la fibre,
- le réseau de Bragg est à pas inférieur à 10 μm, - les canaux sont séparés les uns des autres par des ponts radiaux dont l'épaisseur est comprise entre 0,01 μm et 10 μm,
- la fibre comporte exactement trois canaux adjacents au cœur, - la fibre est réalisée en silice ou en plastique, le plastique étant notamment fabriqué à partir de PMMA, de polystyrène, d'un polymère fluoré ou de CYTOP,
- le cœur de la fibre est réalisé en silice pure, ou dopée, ou en matériau plastique, le plastique étant notamment fabriqué à partir de PMMA, de polystyrène, d'un polymère fluoré ou de
CYTOP,
- le capteur comporte également un système d'introduction et/ou d'extraction du produit à analyser dans au moins l'un des canaux. - le capteur est agencé pour recueillir les ondes réfléchies ou transmises par le réseau de Bragg.
L'invention concerne également une fibre microstructurée à réseau de Bragg que comporte un capteur selon l'invention. L'invention concerne en outre un procédé pour la détermination de la structure d'une telle fibre selon lequel on détermine le diamètre du cœur de la fibre en se fixant un niveau donné de confinement et un diamètre donné de cœur, en ce qu'on détermine par modélisation la sensibilité de la fibre comportant un cœur du diamètre donné à l'indice de réfraction d'un produit à analyser, et en ce qu'on fait évoluer ce diamètre donné du cœur de manière itérative en fonction de la sensibilité déterminée.
Egalement, l'invention propose l'utilisation du capteur selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes pour la mesure d'un paramètre physico-chimique ayant une influence sur l'indice effectif du mode de propagation comme par exemple l'indice de réfraction, le coefficient d'absorption, la densité, la concentration, la luminescence, la fluorescence, la phosphorescence, le temps de décroissance de la fluorescence.
PRESENTATION DES DESSINS
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
La figure la est une coupe radiale de la fibre selon un mode de réalisation.
La figure Ib est une coupe axiale de la fibre selon la figure 1. Les figures 2a à 2d sont des coupes radiales de fibres selon d'autres modes de réalisation.
La figure 3a, est un schéma d'un capteur selon un mode de réalisation.
Les figures 3b et 4a à 4c, sont des schémas de capteurs selon d'autres modes de réalisation.
DESCRIPTION DE FIBRES MICROSTRUCTUREES A RESEAU DE BRAGG SELON UN MODE DE REALISATION. Structure générale
En référence aux figures la et Ib, on a illustré une fibre selon un exemple de réalisation. Cette fibre 1 se compose d'un coeur 2, entouré d'une gaine 5.
La gaine 5 présente une pluralité de canaux 3 longitudinaux parallèles.
La présence de ces canaux 3 dans la gaine 5 est caractéristique des fibres dites microstructurées. Ces canaux 3 sont adjacents au coeur 2 et disposés de manière à former une couronne.
En outre, ces canaux 3 sont séparés les uns des autres par des ponts radiaux 7 très fins s'étendant depuis la périphérie 4 de la gaine 5 jusqu'au coeur 2. Ainsi, chaque canal 3 est délimité radialement par la périphérie 4 de la gaine 5 vers l'extérieur, et par le coeur 2 vers l'intérieur.
Chaque canal 3 est également délimité tangentiellement par les ponts radiaux 7.
Le coeur 2 peut être réalisé en silice pure, par omission de canal 3 dans la zone centrale (défaut central) de la matrice de silice. Le coeur 2 peut également être dopé, au germanium par exemple. Ce dopage permet de modifier les caractéristiques de transmission dans le coeur 2, tout en conférant au cœur un caractère photosensible autorisant la photo-inscription de réseaux de Bragg. La gaine 5 et les ponts radiaux 7 sont en silice éventuellement dopée, et les canaux 3 sont remplis d'air ou d'un milieu d'indice de réfraction inférieur à celui du cœur (2).
Dans d'autres modes de réalisation la fibre microstructurée pourrait être réalisée en plastique, et notamment à partir de polyméthacrylate de méthyle également désigné PMMA, de polystyrène, d'un polymère fluoré, ou encore de CYTOP.
Dans le cas où la longueur d'onde d'étude est comprise entre 0,5 μm et 2 μm, le diamètre de la gaine périphérique 4 est par exemple compris entre 50 μm et 500 μm, et celui de coeur 2 entre 1 μm et 20 μm.
Dans le coeur 2 de la fibre 1 est inscrit un réseau de Bragg 6. Un réseau de Bragg inscrit dans le cœur d'une fibre constitue un réseau présentant plusieurs dizaines voire quelques milliers de périodes ou « pas » modifiant l'indice de réfraction du cœur de la fibre optique. Ce type de réseau se comporte comme un filtre pour une bande spectrale centrée sur une longueur d'onde caractéristique λB dite de Bragg. Cette longueur d'onde dépend du pas Λ du réseau, et de l'indice de réfraction que « voit » le mode de propagation appelé indice effectif rieff du mode guidé.
Ainsi par exemple pour le réseau de Bragg à traits droits, la longueur d'onde caractéristique λB est définie par la relation λB = 2. rieff - Λ ( 1) Ainsi, toute modification de l'indice effectif neff ou du pas Λ du réseau entraîne une variation proportionnelle de la longueur d'onde λB.
Le suivi de ce déplacement spectral permet de détecter ou de mesurer la variation du paramètre physique inducteur de cette modification. Si l'indice de réfraction effectif du mode de l'onde guidée est influencé par un produit environnant la fibre, la précision de la détection de la variation du paramètre à mesurer de ce produit dépend donc notamment de la sensibilité du réseau de Bragg à l'indice de réfraction de ce produit. Ce réseau de Bragg 6 est à pas court, le pas étant typiquement compris entre 0,1 μm et 10 μm.
Selon un premier exemple, le réseau de Bragg 6 peut être inscrit à l'aide d'un laser continu (par exemple à 244 nm), notamment si le cœur est en silice dopée par exemple au Germanium. Selon un deuxième exemple, le réseau de Bragg 6 peut également être inscrit à l'aide d'un laser fonctionnant en régime impulsionnel (comme à 193 nm), si le cœur est par exemple en silice pure ou de type plastique. Comportement en fonctionnement, contraintes qui influencent les performances, avantages procurés par cette fibre.
Dans une première phase, la lumière incidente se propage dans le coeur 2 de la fibre 1 entourée de canaux 3.
Dans le cas où la fibre guide la lumière par réflexions totales, alors l'indice de réfraction du cœur 2 de la fibre est nécessairement supérieur à celui de l'air.
L'indice effectif du mode guidé présente alors une valeur initiale, comprise entre la valeur de l'indice de réfraction de la gaine 5 et la valeur de l'indice de réfraction du coeur 2.
La longueur d'onde caractéristique du réseau de Bragg 6 étant définie par l'équation (1), ce réseau 6 extrait une fine bande spectrale centrée autour de la longueur d'onde caractéristique λB. Dans une deuxième phase un produit à analyser est introduit dans au moins l'un des canaux 3, par exemple sous forme de liquide ou de gaz.
Cette introduction de produit peut être obtenue en immergeant une extrémité de la fibre, ou peut être effectuée au moyen d'un dispositif d'injection et de retrait ou d'extraction du produit à l'intérieur des canaux.
L'indice de réfraction du produit, supérieur à l'indice de réfraction de l'air tend à augmenter sensiblement l'indice moyen de réfraction de la gaine 5. La différence entre les indices de réfraction de la gaine 5 et du coeur 2 est donc réduite. La lumière se propageant dans la fibre 1 n'est plus exclusivement guidée par réflexion totale et le nombre de modes guidés diminue. L'indice de réfraction du mode guidé, toujours compris entre les indices de réfraction de la gaine 5 et du coeur 2, augmente. Quand le liquide atteint le réseau de Bragg 6, la variation de l'indice de réfraction du mode guidé entraîne à son tour, conformément à l'équation (1), une variation de la longueur d'onde caractéristique du réseau 6. L'indice de réfraction du mode guidé augmentant, la longueur d'onde caractéristique de Bragg se déplace vers les grandes longueurs d'ondes.
Ainsi, l'amplitude du décalage spectral est liée à la variation de l'indice de réfraction du mode guidé et donc à l'indice de réfraction du produit inséré.
Le suivi de l'indice de réfraction du produit introduit permet, in fine, de détecter ou de mesurer tout paramètre physico-chimique ayant une influence sur l'indice effectif du mode de propagation, comme par exemple l'indice de réfraction, la concentration, la densité etc. La fibre selon le mode de réalisation présenté permet d'améliorer considérablement la sensibilité de la détection de ce paramètre physicochimique en offrant un profil de fibre particulièrement optimisé.
Cette sensibilité améliorée est obtenue grâce à un profil de fibre permettant d'augmenter l'interaction entre le produit inséré dans les canaux 3 et le mode guidé.
La pénétration du champ électromagnétique dans la gaine 5 et les canaux 3 dépend étroitement de la longueur d'onde. Aux courtes longueurs d'onde, la lumière reste confinée dans le coeur 2 de la fibre 1 et pénètre peu dans les canaux 3 de la fibre, alors qu'aux longueurs d'ondes plus grandes, la lumière s'étend plus profondément dans les canaux 3.
Il convient donc de réduire au maximum le diamètre du coeur 2, et de rapprocher au maximum du coeur 2 le produit présent dans les canaux 3 afin d'accroître le recouvrement entre le champ évanescent et le milieu à analyser.
Dimensions et dispositions des canaux.
Ainsi, le profil est déterminé de façon à obtenir des canaux 3 de grande taille et qui soient rapprochés au plus près du coeur 2. Le recouvrement entre le champ évanescent et le produit à analyser est alors étendu, et l'interaction entre le mode fondamental et le produit inséré est accrue. L'augmentation de la taille des canaux 3 permet d'introduire aisément le produit à analyser et d'obtenir une gaine 5 dont l'indice moyen de réfraction est fortement influencé par l'indice de réfraction du produit emplissant les canaux 3. Ainsi, afin d'assurer la plus grande interaction possible entre le champ électromagnétique de l'onde guidée et le milieu à analyser, l'idéal serait de disposer d'une fibre microstructurée constituée d'un anneau d'air entourant le coeur 2. Une telle fibre 1 est représentée en figure 2a.
La présence de ponts radiaux 7 s'avère cependant indispensable à la tenue physique de la fibre 1. La fibre 1 selon ce mode de réalisation présente donc un rapport de l'aire de silice constituant la gaine 5 sur l'aire des canaux 3 aussi faible que possible, l'épaisseur des ponts radiaux 7 étant réduite au minimum techniquement réalisable afin de n'assurer qu'une fonction de maintien physique du coeur 2. Ainsi l'épaisseur des ponts 7 de silice, selon une section radiale de la fibre, est typiquement comprise entre 0,01 μm et 10 μm.
La présence de canaux 3 permet également d'amener le produit jusqu'au réseau de Bragg 6, et ne nécessite pas de plonger le réseau 6 dans le produit à analyser. Cette particularité procure de nombreux avantages en terme de simplicité et de flexibilité d'utilisation.
Diamètre du cœur.
Le diamètre du cœur doit également être réduit au maximum afin d'accroître le recouvrement entre le champ évanescent et le milieu à analyser et de manière à ce que la fibre soit monomode ou faiblement multimode.
Cependant la détermination du diamètre du coeur 2 résulte d'un compromis entre le confinement du champ électromagnétique et l'intensité du signal optique. En effet, la réduction du diamètre du coeur 2 est limitée car elle induit une perte du signal optique. Il convient donc de maintenir une dimension du diamètre du coeur 2 suffisante pour assurer le guidage de la lumière. Un diamètre de coeur 2 trop réduit a également pour conséquence de rendre complexe l'inscription du réseau de Bragg 6.
En choisissant un profil de fibre 1 dont le diamètre du coeur 2 est de l'ordre de la longueur d'onde d'étude, on obtient un champ électromagnétique qui ne demeure pas confiné dans le coeur 2, mais qui s'étend au contraire dans les canaux 3, sans pour autant induire les inconvénients liés à un diamètre de cœur trop petit.
Un diamètre du coeur 2 est considéré, au sens de la présente demande, comme étant de l'ordre de la longueur d'onde d'étude lorsqu'il permet de respecter de façon optimale le compromis entre la qualité de guidage et le confinement du champ électromagnétique.
En pratique, le diamètre du cœur 2 est déterminé en fixant un niveau de confinement souhaité, puis en exécutant un logiciel de modélisation, par éléments finis typiquement, avec un diamètre de cœur donné. En fonction des résultats obtenus par modélisation portant sur la sensibilité de la longueur d'onde de résonance du réseau de Bragg 6 à l'indice de réfraction du produit, on fait évoluer le diamètre du cœur 2 de la fibre 1.
On procède donc selon une approche itérative, à partir d'une géométrie donnée de fibre que l'on adapte en fonction des résultats des modélisations successives.
Ainsi, et de manière générale, le profil de la fibre 1 présente un coeur 2 dont le diamètre est d'autant plus petit que la longueur d'onde d'étude est courte. La fibre 1 dont le profil est ainsi optimisé en fonction de la longueur d'onde d'étude permet d'assurer une forte interaction entre le champ évanescent et le produit à analyser, et présente par conséquent une grande sensibilité de la longueur d'onde de résonance du réseau de Bragg 6 à l'indice de réfraction de ce produit. De plus cette sensibilité élevée est obtenue sur une grande plage d'indices de réfraction, et ceci même pour des liquides d'indice de réfraction proche de celui de l'eau. Les dimensions d'une telle fibre 1 sont indiquées, à titre d'exemple non limitatif, dans la suite de cette description.
Autres paramètres. Le profil de la fibre 1 doit être adapté à la longueur d'onde étudiée comme indiqué précédemment. En outre l'application qui est faite de la fibre 1 doit également être prise en compte dans la conception du profil de cette fibre. Les contraintes imposées par les utilisations particulières de la fibre 1 varient d'une application à l'autre, et influencent par conséquent la conception du profil de cette fibre. Par exemple, le nombre et l'épaisseur des ponts radiaux 7 peuvent être adaptés en fonction des contraintes mécaniques imposées par une utilisation particulière de la fibre 1.
La présence de ponts radiaux 7 en plus de la gaine 5 périphérique entourant le coeur 2 assure un bon maintien de l'ensemble de la structure de la fibre, offrant ainsi à celle-ci une grande robustesse et de nombreuses possibilités d'utilisation.
La sensibilité de la détection de la fibre proposée étant indépendante du diamètre total de la fibre, celui-ci peut être augmenté pour améliorer les caractéristiques mécaniques de la fibre. Cette augmentation du diamètre total de la fibre, effectuée en conservant un profil en conformité avec l'enseignement précédemment indiqué ne diminue pas la sensibilité de la détection de l'indice de réfraction du produit. Pour adapter aux contraintes d'utilisation les caractéristiques opto- géométriques de la fibre telles que le nombre de ponts radiaux 7, l'épaisseur de ces ponts 7, la dimension des ponts 7, on procède selon la méthode itérative mentionnée précédemment à propos de la détermination du diamètre du cœur 2 de la fibre 1. Cette même méthode itérative permet également de prendre en compte les contraintes de fibrage dans la conception du profil de la fibre. Ainsi, de nombreux profils de fibre peuvent être envisagés en respectant l'enseignement présenté précédemment. Plusieurs de ces profils sont représentés aux figures 2a à 2d.
Ainsi, la figure 2a présente une fibre comportant un cœur entouré d'un anneau d'air ou d'un matériau d'indice inférieur à celui du coeur 2.
La fibre représentée en figure 2b comprend un seul pont radial, la fibre de la figure 2c présente 2 ponts radiaux disposés sur un même diamètre, et la fibre de la figure 2d comporte 5 ponts radiaux.
La fibre 1 selon l'un des modes de réalisation mentionnés, associée à un dispositif d'analyse du signal provenant du réseau de Bragg 6, permet donc de quantifier ou déceler la variation de tout paramètre physico-chimique ayant une influence sur l'indice effectif du mode de propagation comme par exemple l'indice de réfraction, la densité, la concentration, la luminescence, la fluorescence, la phosphorescence, le temps de décroissance de la fluorescence etc.
Les domaines d'application d'une telle fibre 1 sont donc particulièrement variés et incluent notamment l'analyse de produits dans l'agroalimentaire, la microbiologie, l'environnement, la biologie, biochimie, les mesures en solution aqueuse, les nouvelles techniques d'analyse biologique, l'immuno analyse, etc.
Exemple d'un profil de fibre à réseau de Braqq. A titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation va maintenant être exposé en référence aux figures la et Ib. Selon ce mode de réalisation, la fibre 1 comporte un coeur 2 dopé au Germanium.
La fibre 1 comprend trois canaux 3 entourant le coeur 2. Les canaux 3 sont adjacents au coeur 2. Ces canaux 3 sont séparés les uns des autres par des ponts radiaux 7 très fins s'étendant depuis la périphérie 4 de la gaine 5 en silice jusqu'au coeur 2 dopé au Germanium. Ainsi, chaque canal 3 est délimité radialement par la périphérie 4 de la gaine 5 et par le coeur 2, ainsi que tangentiellement par les ponts radiaux 7. Les canaux présentent une section sensiblement identique selon une coupe radiale de la fibre.
Le profil de cette fibre 1 respecte les principes de conception de profils énoncés précédemment afin d'augmenter l'interaction entre le champ électromagnétique et le milieu inséré dans les canaux 3.
Notamment, le profil de la fibre 1 est défini de manière à ce que le diamètre du cœur 2 soit de l'ordre de la longueur d'onde d'étude. Ainsi, pour une longueur d'onde d'étude de l'ordre de 1,55 μm, le diamètre du cœur est compris entre 3 μm et 5 μm. Pour des raisons de clarté, les proportions du coeur 2 représenté sur les schémas des figures la et Ib ne respectent volontairement pas les proportions réelles.
L'aire de chacun des canaux 3 est de l'ordre de 1500 μm2.
L'épaisseur des ponts 7 de silice est définie de manière à ce que le rapport de l'aire de silice composant la gaine 5 sur l'aire des canaux 3 soit réduit au maximum tout en assurant un maintien physique de la fibre. Ainsi, l'épaisseur de ces ponts 7 peut être comprise entre 0,01 μm et 10 μm.
L'exo-diffusion de l'hydrogène est réduite selon la méthode proposée par Beugin et al. [V. Beugin, V. Pureur, L. Provino, L. Bigot, G. Mélin, A. Fleureau, S. Lempereur, and L. Gasca, "Intérêt Du Dopage Phosphore Pour la Photoinscription de Réseaux de Bragg Dans Une Fibre MicroStructurée," Actes Conférence 24ème Journées Nationales d'Optique Guidée (Chambéry), pp 292 - 294 (2005)].
La fibre 1 est ensuite introduite dans le tube d'hydrogénation et est suffisamment hydrogénée, par exemple pendant deux semaines à 180 bar et à 25 0C.
Dans le coeur 2 de la fibre 1 est photo-inscrit un réseau de Bragg 6 par exemple à pas courts, dont le pas est de l'ordre de 0,5 μm pour une longueur d'onde de travail de 1.5 μm. La photo-inscription du réseau de Bragg 6 est effectuée avec un laser continu (par exemple à 244 nm).
L'inscription du réseau de Bragg 6 se fait à l'aide d'un banc d'inscription utilisé pour l'inscription de réseaux dans les fibres conventionnelles : soit un banc à miroir de Lloyd, soit un banc à masque de phase, soit tout système optique permettant de créer la figure d'interférences requise. Les réseaux 6 inscrits dans cette fibre 1 microstructurée présentent typiquement une réflectivité de l'ordre de 70%, mais peuvent tout aussi bien atteindre tout coefficient de réflexion choisi lors de la photo-inscription.
Le profil de la fibre induit une biréfringence qui lève la dégénérescence des modes. Un dédoublement du pic de Bragg associé au mode fondamental correspondant aux états de polarisation de la lumière apparaît. L'ajout d'un contrôleur de polarisation entre la source et la fibre microstructurée, favorise l'une des polarisations et donc l'une des raies de résonance. En modifiant l'état de polarisation de la lumière de la source, en se plaçant dans le cas où l'une des polarisations est favorisée, l'une seulement des résonances est observée sur la réponse spectrale en transmission et réflexion du réseau de Bragg. Le contrôleur de polarisation ainsi disposé permet de suivre l'évolution de cette résonance en fonction de l'indice de réfraction du produit inséré dans les canaux de la fibre.
Ce dispositif permet de suivre l'évolution de cette résonance en fonction de l'indice de réfraction du milieu inséré dans les canaux 3 de la fibre.
Le réseau de Bragg 6 est disposé dans la fibre 1 de manière à ne laisser environ qu'l cm de fibre microstructurée entre ce réseau 6 et l'extrémité aval 21 de cette fibre 1 (l'extrémité aval 21 étant déterminée en référence au sens de propagation de la lumière incidente). Par exemple, en clivant l'extrémité de la fibre, on rend débouchants tous les canaux, ce qui permet d'introduire un liquide par capillarité dans chacun de ces canaux simultanément. Un clivage consiste à créer une petite amorce de rupture en périphérie de la fibre, puis à la courber jusqu'à ce qu'elle casse. La cassure se produit à l'endroit de l'amorce et on obtient une coupe franche et perpendiculaire à l'axe de la fibre.
De plus, le fait que le réseau de Bragg soit situé près de l'extrémité réduit la longueur de fibre qu'il est nécessaire de remplir avant d'atteindre le réseau. L'association d'une fibre microstructurée à un réseau de Bragg 6 à pas court permet de recueillir la lumière réfléchie par le réseau de Bragg 6. Ainsi l'extrémité aval 21 de la fibre 1 est plongée dans un produit dont un paramètre physique est étudié.
La fibre 1 décrite dans ce mode de réalisation présente une grande sensibilité de transduction lors des mesures, et ainsi permet d'obtenir des résultats particulièrement satisfaisants.
En effet, le déplacement spectral de la résonance de Bragg est de plusieurs nm lorsque l'on insère dans les trois canaux 3 de la fibre 1 un liquide d'indice de réfraction de l'ordre de 1,3 (indice de réfraction proche de celui de l'eau). A titre de comparaison, lorsque l'on insère un liquide similaire, le déplacement spectral n'est que de 0,1 nm pour une fibre présentant six canaux et qui n'a pas été optimisée selon les principes précédemment mentionnés (M. C. Phan Huy et al., "Fibre
Bragg Grating photowriting in microstructured optical fibres for refractive index measurement", Meas. Sci. Technol. 17, pp 992-997
(2006).
La sensibilité de cette fibre 1 représente ainsi une amélioration de plus d'un ordre de grandeur et de plus de deux ordres de grandeurs par rapport aux sensibilités obtenues avec une fibre à 18 trous et une fibre à 6 trous respectivement.
En effet, la sensibilité obtenue avec une fibre 1 présentant un profil selon cet exemple est de l'ordre de 10"5 u.i.r./pm (unité d'indice de réfraction par picomètre) alors que cette sensibilité est de l'ordre de 10"4 u.i.r./pm et 10"3 u.i.r./pm pour une fibre à 18 trous et une fibre à 6 trous respectivement.
Le profil de la fibre 1, réalisée selon cet exemple de réalisation permet donc une remarquable sensibilité de la longueur d'onde de résonance du réseau de Bragg 6 à la valeur de l'indice de réfraction du produit présent dans les canaux 3 de la fibre.
Exemples de réalisation de capteurs à fibre microstructurée et à réseau de Braqq. On a représenté sur les figures 3a et 3b un capteur 100 comprenant une fibre 1 du type de celles décrites précédemment.
Le capteur 100 peut être décliné selon plusieurs modes de réalisation. Ces différents modes de réalisation peuvent être classés en deux catégories, selon que le réseau de Bragg 6 inscrit dans le coeur 2 de la fibre 1 fonctionne en réflexion ou en transmission.
Les capteurs 100 fonctionnant en réflexion comportent une source 105 de lumière, un système de détection 101, un coupleur 102, des fibres conventionnelles formant des bras de raccordement 110, 112, 113, une fibre 1 microstructurée à réseau de Bragg, un système d'alignement 103 d'une extrémité 111 du bras de raccordement 113 à la fibre microstructurée 1. Deux exemples de ces capteurs 100 sont représentés en figure 3a et 3b.
En référence à la figure 3a, la source 105 émet une lumière qui parvient à un coupleur 102 via un premier bras 110. La moitié du faisceau est guidée jusqu'à la fibre microstructurée à réseau de Bragg par un second bras 113 du coupleur.
Un troisième bras 112 du coupleur 102 est relié au système de détection 101 qui permet d'acquérir les données et de suivre en temps réel le décalage spectral de la longueur d'onde de Bragg du mode guidé avec la progression du liquide dans les canaux 3 de la fibre.
La fibre 1 microstructurée est reliée à l'extrémité 111 du bras de raccordement 113 de la fibre optique provenant du coupleur 102 par un système 103 permettant d'aligner ces deux fibres et d'optimiser le niveau du signal en sortie. Une autre possibilité est de souder ces deux fibres entre elles.
L'extrémité libre de la fibre 1 microstructurée est quant à elle plongée dans le produit à analyser.
Le réseau de Bragg 6 inscrit dans le coeur 2 de la fibre 1 est à pas court. Ce type particulier de réseau de Bragg 6 présente comme avantage d'offrir la possibilité de fonctionner en réflexion. Ainsi le réseau
6 peut être disposé en extrémité de fibre. Cette disposition du réseau 6 offre des avantages considérables se traduisant notamment par une grande souplesse d'utilisation.
Ainsi, un tel capteur 100 présente une configuration simple, ce qui est particulièrement avantageux pour certaines applications. Un autre avantage réside également dans la possibilité de multiplexer plusieurs capteurs avec un nombre de réseaux ad hoc, et ce de manière plus dense qu'avec des réseaux à traits inclinés. En effet les réseaux à traits droits présentent une largeur de spectre (0,2 nm typiquement) environ cent fois inférieure à la largeur de spectre des réseaux à traits inclinés. Ainsi, sur une largeur donnée de spectre d'analyse il est possible de multiplexer un nombre de réseaux à traits droits bien supérieur au nombre de réseaux à traits inclinés.
Le capteur 100 représenté en figure 3b fonctionne selon le même principe général que le capteur 100 de la figure 3a. En outre, ce capteur 100 comprend, en extrémité de la fibre 1 microstructurée, un système
300 permettant l'insertion et l'extraction dans les canaux 3 du produit à analyser.
Les capteurs 100 de la seconde catégorie fonctionnent en transmission. Dans le capteur 100 représenté en figure 4a, la source 105 est reliée à une extrémité d'une fibre 1 selon l'un des modes de réalisation indiqués précédemment. L'autre extrémité de cette fibre 1 est reliée au système de détection 101.
Des moyens 301, 302 permettent la circulation du produit à analyser dans les canaux 3 de la fibre. La circulation du produit à analyser dans les canaux 3 peut être effectuée dans les deux sens.
Dans les capteurs 100 représentés en figures 4b et 4c, la source 105 optique est directement reliée à une extrémité de la fibre 1. A l'autre extrémité de la fibre 1 est intégré un système 300 permettant l'insertion et/ou l'extraction du produit par l'extrémité d'un ou de plusieurs canaux (3) de fibre 1, et de récupérer et d'analyser le signal optique en sortie du cœur (2) de la fibre 1. Avantages
Comme on l'aura compris, les fibres microstructurées à réseau de Bragg qui viennent d'être décrites présentent un profil de fibre optimisé permettant une importante amélioration de la mesure de l'indice de réfraction d'un milieu à analyser. Le profil optimisé de ces fibres accroît l'interaction entre le mode guidé et le milieu inséré dans les canaux et permet par conséquent d'offrir une grande sensibilité de la longueur d'onde de la résonance de Bragg à l'indice de réfraction du milieu à analyser. II en résulte en outre une grande sensibilité aux modifications des paramètres optiques et notamment à l'indice de réfraction en fonction de la longueur d'onde de résonance sur une large plage d'indices de réfraction.
On notera que la sensibilité de la détection de ce type de fibre n'étant pas dépendante du diamètre total de fibre, celui-ci peut être augmenté pour améliorer certaines caractéristiques de la fibre, notamment mécaniques, sans pour autant diminuer les performances de détection.
La présence de canaux ne nécessite pas de plonger le réseau dans le produit à analyser ce qui procure de nombreux avantages en terme de flexibilité d'utilisation.
De manière générale, les fibres qui viennent d'être décrites permettent la détection et la mesure de tout paramètre physicochimique ayant une influence sur l'indice effectif du mode de propagation, comme par exemple l'indice de réfraction, le coefficient d'absorption, la densité, la concentration, la luminescence, la fluorescence, la phosphorescence, le temps de décroissance de la fluorescence etc.
L'agencement du capteur, qui permet de fonctionner en réflexion, offre également souplesse et simplicité de mise en œuvre, ce qui contribue également à accroître l'étendue des domaines d'application envisageables. Bien entendu, des multiplexages de plusieurs points de mesure sont possibles sur une même fibre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur (100) à fibre à réseau de Bragg comportant une source (105) et un système de détection (101) fonctionnant à une longueur d'onde d'étude donnée, ainsi qu'une fibre (1) à réseau de Bragg (6) reliée à ladite source et au dit système, ladite fibre étant une fibre optique microstructurée dont la gaine (5) comprend des canaux (3) adjacents au cœur (2) de la fibre (1), aptes à recevoir un produit à analyser, caractérisé en ce que le nombre de canaux (3) adjacents au cœur (2) est compris entre 2 et 5, et en ce que le diamètre du cœur (2) de la fibre (1) est adapté pour qu'un champ électromagnétique d'une onde guidée par la fibre ne soit pas confiné dans le cœur (2) de la fibre (1), le champ électromagnétique s'étendant dans les canaux (3).
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre
(1) comporte exactement trois canaux (3) adjacents au cœur (2).
3. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre du cœur (2) est compris entre 0,5 μm et 20 μm.
4. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour une longueur d'onde d'étude de l'ordre de 1,55 μm, le diamètre du cœur (2) est compris entre 3 μm et 5 μm.
5. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un réseau de Bragg est inscrit dans le cœur (2) de la fibre (1).
6. Capteur (100) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réseau de Bragg (6) est à pas inférieur à 10 μm.
7. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux (3) sont séparés les uns des autres par des ponts radiaux (7) dont l'épaisseur est comprise entre 0,01 μm et 10 μm.
8. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre (1) est réalisée en silice ou en plastique, le plastique étant notamment fabriqué à partir de PMMA, de polystyrène, d'un polymère fluoré ou de CYTOP.
9. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cœur (2) de la fibre (1) est réalisé en silice pure, ou dopée, ou en matériau plastique, le plastique étant notamment fabriqué à partir de PMMA, de polystyrène, d'un polymère fluoré ou de CYTOP.
10. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte également un système (300) d'introduction et/ou d'extraction du produit à analyser dans au moins l'un des canaux (3).
11. Fibre microstructurée (1) à réseau de Bragg d'un capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes.
12. Procédé de détermination de la structure d'une fibre microstructurée selon la revendication 11, caractérisé en ce que le diamètre du cœur (2) de la fibre (1) est déterminé en se fixant un niveau de confinement donné et un diamètre donné de cœur (2), en ce qu'on détermine par modélisation la sensibilité de la fibre (1), comportant un cœur du diamètre donné, à l'indice de réfraction d'un produit à analyser, et en ce qu'on fait évoluer le diamètre donné du cœur (2) de manière itérative en fonction de la sensibilité déterminée.
13. Utilisation du capteur (100) selon l'une des revendications 1 à 10 pour la mesure d'un paramètre physico-chimique ayant une influence sur l'indice effectif du mode de propagation comme par exemple l'indice de réfraction, le coefficient d'absorption, la densité, la concentration, la luminescence, la fluorescence, la phosphorescence, le temps de décroissance de la fluorescence.
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