FR2921482A1 - Transducteur a fibre optique multimode et a couplage de modes, procede de realisation - Google Patents
Transducteur a fibre optique multimode et a couplage de modes, procede de realisation Download PDFInfo
- Publication number
- FR2921482A1 FR2921482A1 FR0757883A FR0757883A FR2921482A1 FR 2921482 A1 FR2921482 A1 FR 2921482A1 FR 0757883 A FR0757883 A FR 0757883A FR 0757883 A FR0757883 A FR 0757883A FR 2921482 A1 FR2921482 A1 FR 2921482A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- fiber
- transducer
- modes
- coupling
- modification
- 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.)
- Granted
Links
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 73
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 73
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 73
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title description 32
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 262
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims abstract description 29
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 65
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 27
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 18
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 4
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 63
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 42
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 33
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 24
- 239000000463 material Substances 0.000 description 22
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 19
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 15
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 15
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 13
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 4
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 4
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical group [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 4
- 230000000449 premovement Effects 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 3
- 230000026683 transduction Effects 0.000 description 3
- 238000010361 transduction Methods 0.000 description 3
- 101710121003 Oxygen-evolving enhancer protein 3, chloroplastic Proteins 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 239000013308 plastic optical fiber Substances 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- UKGJZDSUJSPAJL-YPUOHESYSA-N (e)-n-[(1r)-1-[3,5-difluoro-4-(methanesulfonamido)phenyl]ethyl]-3-[2-propyl-6-(trifluoromethyl)pyridin-3-yl]prop-2-enamide Chemical compound CCCC1=NC(C(F)(F)F)=CC=C1\C=C\C(=O)N[C@H](C)C1=CC(F)=C(NS(C)(=O)=O)C(F)=C1 UKGJZDSUJSPAJL-YPUOHESYSA-N 0.000 description 1
- 229920006355 Tefzel Polymers 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- DGLFSNZWRYADFC-UHFFFAOYSA-N chembl2334586 Chemical compound C1CCC2=CN=C(N)N=C2C2=C1NC1=CC=C(C#CC(C)(O)C)C=C12 DGLFSNZWRYADFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002788 crimping Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- QHSJIZLJUFMIFP-UHFFFAOYSA-N ethene;1,1,2,2-tetrafluoroethene Chemical compound C=C.FC(F)=C(F)F QHSJIZLJUFMIFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
- G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
- G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/3537—Optical fibre sensor using a particular arrangement of the optical fibre itself
- G01D5/35377—Means for amplifying or modifying the measured quantity
-
- 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
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
- G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
- G02B6/02071—Mechanically induced gratings, e.g. having microbends
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
- Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
L'invention concerne un transducteur à fibre optique, ledit transducteur étant sensible à au moins un paramètre d'un environnement dans lequel il est placé, la modification du/des paramètres entraînant une modification d'au moins une caractéristique mesurable d'une onde lumineuse injectée dans la fibre optique et traversant le transducteur, la fibre optique étant multimode et comportant un moyen pour que la modification de la caractéristique de l'onde lumineuse soit fonction d'une modification de couplage de modes entraînée par la modification du paramètre de l'environnement, le moyen conduisant à la modification du couplage de modes provoquant lors de la modification une déformation de la fibre dans le transducteur selon un motif déterminé. Selon l'invention, le moyen conduisant à la modification du couplage de modes est un tube creux comportant intérieurement un motif en relief et enserrant la fibre optique au niveau du transducteur dans une section droite de la fibre.
Description
La présente invention concerne un transducteur à fibre optique multimode et à couplage de modes. Elle a des applications dans le domaine de la métrologie. Les capteurs à fibre optique ont fait l'objet de nombreuses investigations depuis de nombreuses années. Des solutions à fibre optique multimode et à couplage de mode ont été étudiées en laboratoire et l'apparition de composants comme le réseau de Bragg fibré a permis la conception de capteurs à fibre optique très précis et multiplexables en réseau de large envergure notamment pour la surveillance des structures du génie civil (pont, tunnel etc.). Le réseau de Bragg fibré est un composant sensible à la température, à la déformation longitudinale selon son axe de symétrie cylindrique et enfin à la pression. De fait, ce composant est un élément extrêmement versatile qui, intégré dans des mécanismes de transduction appropriés, convient pour la mesure de paramètres physiques et chimiques très nombreux tout en dotant les capteurs ainsi développés des valeurs ajoutées de la mesure par des techniques optiques. Cependant, la technologie des réseaux de Bragg reste d'un coût encore important.
Par contre, les capteurs à fibre optique multimode sont devenus compétitifs du fait notamment que leurs procédés de fabrication admettent des tolérances très élargies en comparaison avec les technologies à fibre optique monomode. L'objet de la présente invention est de proposer un composant à fibre optique multimode qui est sensible (au moins) à la température, à la déformation longitudinale selon l'axe de symétrie cylindrique de la fibre et à la pression tout en étant à très faible coût. Il devient en outre possible avec l'invention d'exploiter les mécanismes de transduction déjà développés pour les réseaux de Bragg fibrés. Le paramètre à mesurer dans l'environnement sera appelé mesurande dans la suite. Ainsi, l'invention concerne un transducteur à fibre optique, ledit transducteur étant sensible à au moins un paramètre (également appelé la mesurande) d'un environnement dans lequel il est placé, la modification du/des paramètres entraînant une modification d'au moins une caractéristique mesurable d'une onde lumineuse injectée dans la fibre optique et traversant le transducteur, la fibre optique étant multimode et comportant un moyen pour que la modification de la caractéristique de l'onde lumineuse soit fonction d'une modification de couplage de modes entraînée par la modification du paramètre de l'environnement, le moyen conduisant à la modification du couplage de modes provoquant lors de la modification une déformation de la fibre dans le transducteur selon un motif déterminé. Selon l'invention, le moyen conduisant à la modification du couplage de modes est un tube creux comportant intérieurement un motif en relief et enserrant la fibre optique au niveau du transducteur dans une section droite de la fibre.
Dans divers modes de mise en oeuvre de l'invention, les moyens suivants pouvant être utilisés seuls ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont employés : - la modification de couplage de modes est en outre due à une modulation de l'ouverture numérique de la fibre, (les indices de réfraction du coeur et de la gaine optique ont des coefficients de variation différents) - la déformation est un ensemble de micro-courbures provoquant un couplage des modes de la fibre sans transformation de la structure des modes de la fibre, - la déformation est une modulation spatiale isotrope du diamètre de la fibre provoquant un couplage des modes de la fibre sans transformation de la structure des modes de la fibre, - la déformation est une modulation spatiale anisotrope du diamètre de la fibre, - la déformation est une modulation spatiale du diamètre de la fibre, - la déformation varie en fonction de la variation du paramètre de l'environnement, - la déformation par modulation spatiale du diamètre de la fibre varie en diamètre (étranglements variables de la fibre, notamment par forces/pressions radiales sur le tube) en fonction de la variation du paramètre de l'environnement, - la déformation par modulation spatiale du diamètre de la fibre varie en fréquence (la position des motifs déformants varie, notamment par forces/pressions axiales/longitudinales sur le tube) en fonction de la variation du paramètre de l'environnement, - le tube creux comportant intérieurement un motif en relief et enserrant la fibre optique au niveau du transducteur contraint ladite fibre au repos, ladite fibre étant déformée selon le motif déterminé au repos, (=pré-perturbation/pré-mouvement..., le repos correspond à l'état basal du paramètre, soit qu'il n'ait pas d'action sur le transducteur, soit que cette action corresponde à un état considéré de base) - le tube creux comportant intérieurement un motif en relief et enserrant la fibre optique au niveau du transducteur ne contraint pas ladite fibre au repos, ladite fibre étant non déformée au repos, (le repos correspond à l'état basal du paramètre, soit qu'il n'ait pas d'action sur le transducteur, soit que cette action corresponde à un état considéré de base) - le tube est en deux parties longitudinales se refermant sur la fibre, - le tube est en deux parties longitudinales pouvant être séparées l'une de l'autre au moins dans la région du transducteur comportant le motif en relief, (les deux parties agissent comme une pince pouvant être serrée ou desserrée sur la fibre) - chaque partie longitudinale comporte à au moins une de ses deux extrémités longitudinales un prolongement faisant office de bras de levier élastique permettant de ramener à une position de repos la partie correspondante en l'absence d'action du/des paramètres de l'environnement, ledit prolongement étant sans influence sur les caractéristiques de l'onde lumineuse, (le repos correspond à l'état basal du paramètre, soit qu'il n'ait pas d'action sur le transducteur, soit que cette action corresponde à un état considéré de base) - chaque partie longitudinale comporte à chacune de ses deux extrémités longitudinales un prolongement faisant office de bras de levier élastique permettant de ramener à une position de repos la partie correspondante en l'absence d'action du/des paramètres de l'environnement, ledit prolongement étant sans influence sur les caractéristiques de l'onde lumineuse, (le repos correspond à l'état basal du paramètre, soit qu'il n'ait pas d'action sur le transducteur, soit que cette action corresponde à un état considéré de base) - chaque partie longitudinale est un demi-cylindre droit allongé, -le tube est en deux parties longitudinales réunies et solidarisées ensembles, - les deux parties longitudinales sont solidarisées ensembles par 10 soudure, collage, sertissage ou clipsage, - au moins une des deux parties comporte intérieurement le motif en relief, - le motif en relief comporte des sommets et creux dont les amplitudes et la distribution spatiale sont choisies en fonction d'au 15 moins un des paramètres de l'environnement et de la/des caractéristiques mesurées de l'onde lumineuse, - le paramètre de l'environnement est choisi parmi une ou plusieurs des possibilités suivantes : - force par déformation du tube, 20 - force par pression ou traction radiale sur le tube, - force par pression ou traction longitudinale sur le tube, - température, - la caractéristique mesurée de l'onde lumineuse est choisie parmi une ou plusieurs des possibilités suivantes : 25 - atténuation de l'onde lumineuse traversant le transducteur, - déphasage de l'onde lumineuse traversant le transducteur, - la fibre optique comporte un coeur interne et une gaine optique externe, - la fibre optique comporte en outre un revêtement extérieur, 30 - le tube est disposé sur le revêtement extérieur de la fibre optique, - le revêtement extérieur de la fibre optique est retiré au niveau du transducteur, le tube étant disposé autour de la gaine optique de la fibre - le coeur et la gaine optique de la fibre sont en verre, 35 -le verre de la gaine optique est dopé, - le revêtement extérieur est une gaine mécanique, - la gaine mécanique est en polyimide, - le tube est en aluminium. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un transducteur à fibre optique, tel que pour un transducteur selon l'une ou plusieurs des caractéristiques décrites et ayant un motif en relief à l'intérieur d'un tube creux enserrant la fibre et modifiant le couplage de modes guidés et/ou rayonnés en fonction d'au moins un paramètre agissant sur ledit transducteur par déformation, on détermine le motif à partir d'un spectre spatial de perturbation en fonction des modes à coupler pour le type de déformation prévu pour le paramètre à mesurer. Le procédé peut être décliné selon les diverses manières décrites. La présente invention va maintenant être exemplifiée sans pour autant en être limitée avec la description qui suit en relation avec : la Figure 1 qui représente schématiquement une des deux parties d'un exemple de tube pour transducteur de forces radiales selon l'invention, les différents éléments le composant n'étant pas à l'échelle, la Figure 2 qui représente schématiquement une des deux parties d'un exemple de tube pour transducteur de forces axiales selon l'invention, les différents éléments le composant n'étant pas à l'échelle. la Figure 3 qui représente schématiquement un transducteur en vue 25 éclatée, les deux parties d'un tube structuré étant séparées de la fibre optique et d'entre-elles , et la Figure 4 qui est un agrandissement d'une coupe de tube structuré au niveau d'une structuration permettant de visualiser une portion d'un exemple de motif en relief. 30 Dans une première partie, les principes généraux à la base de l'invention vont être donnés en relation avec les moyens généraux mis en oeuvre pour parvenir à la réalisation d'un transducteur selon l'invention. Dans une seconde partie, une description plus détaillée de mise 35 en oeuvre et des exemples de réalisation vont être donnés.
Une fibre optique est un guide d'onde c'est à dire un milieu capable de guider un signal ondulatoire qui se propage le long d'un axe lequel est l'axe de symétrie cylindrique de la fibre et est appelé l'axe de propagation de la fibre. La fibre est constituée dans sa version la plus simple d'un coeur et d'une gaine optique de confinement, dite gaine . Les propriétés optiques du coeur et de la gaine sont légèrement différentes de sorte que tout signal couplé à une extrémité de la fibre perçoit deux vitesses de propagation différentes entre le coeur et la gaine. La gaine peut aussi bien être un matériau très proche de celui du coeur ou bien l'air ou encore le vide. L'indice de réfraction du coeur doit seulement être supérieur à celui de la gaine. Notons que la fibre est souvent entourée d'un revêtement extérieur qui a pour but de la protéger mécaniquement, ce revêtement se confondant parfois avec la gaine.
Si le signal optique respecte les conditions de guidage de la fibre déterminées par les indices de réfraction du coeur et de la gaine par rapport à la longueur d'onde du signal, une partie de l'énergie du signal est confinée dans le coeur de la fibre et reste dans la gaine aux abords du coeur. Dans le cas idéal (milieu parfait et non absorbant), l'énergie du signal est transmise de l'extrémité d'entrée du signal dans la fibre jusqu'à l'extrémité de sortie du signal de la fibre sans pertes (sans atténuation). Le signal est dit guidé. Si le signal ne respecte pas les conditions de guidage de la fibre, le signal peut se propager le long de l'axe de la fibre (son énergie est répartie sans confinement entre le coeur et la gaine) mais son énergie est entièrement transmise à la gaine et à l'environnement extérieur de la fibre après une certaine distance parcourue par le signal le long de l'axe de la fibre. L'énergie est dite rayonnée loin de la fibre et le signal est dit rayonnant ou encore rayonné. La fibre est dite multimode s'il existe dans cette fibre plusieurs manières différentes pour un signal couplé à la fibre (injecté dans la fibre) d'être guidé et donc de se propager le long de la fibre. Ces différentes manières d'être guidé et de se propager sont appelées les modes guidés de la fibre multimode.
Les modes guidés d'une fibre constituent un ensemble fini et discret. Les modes guidés sont indexés selon leur ordre de groupe (indice m). Chaque groupe de modes guidés rassemble les modes guidés dont la constante de propagation a même valeur (la constante de propagation mesure la distance entre deux points le long de l'axe de propagation auxquels la phase du mode est la même, modulo 2n). La valeur de la constante de propagation de chaque groupe de modes guidés d'indice m est inférieure à la valeur de la constante de propagation des groupes de modes guidés d'indice inférieur à m. La valeur de la constante de propagation de tous les modes guidés est inférieure à la valeur du vecteur d'onde que le signal aurait s'il se propageait dans un milieu identique à celui du coeur de la fibre mais sans structure de guidage (propagation libre). La valeur de la constante de propagation de tous les modes guidés est supérieure à la valeur du vecteur d'onde que le signal aurait s'il se propageait dans un milieu identique à celui de la gaine de la fibre mais sans structure de guidage. Ainsi, les groupes de modes guidés peuvent être ordonnés : les modes guidés du groupe d'ordre 1 ont la constante de propagation la plus importante tandis que les modes guidés du groupe d'ordre le plus élevé M ont la constante de propagation la plus petite. En pratique, M est donc le nombre de groupes de modes guidés dans la fibre. Les modes rayonnés constituent un ensemble continu et borné. Ils sont indexés par la valeur de leur constante de propagation, valeur comprise entre 0 et la valeur du vecteur d'onde que le signal aurait s'il se propageait dans un milieu identique à celui de la gaine de la fibre mais sans structure de guidage. La valeur de leurs constantes de propagation est donc inférieure à la valeur des constantes de propagation de tous les modes guidés.
Notons qu'il existe encore d'autres modes, par exemple les modes évanescents, mais ils ne sont pas pertinents dans le cadre de la présente invention. Lorsqu'une fibre multimode est soumise à une perturbation, des modes de propagation du signal optique peuvent échanger de l'énergie entre eux, une perturbation provoquant une modification de la structure de modes tout au long du segment perturbé de la fibre. Dans ce cas, les modes sont dits couplés. On peut modéliser ces échanges d'énergie en fonction de coefficients de couplage qui quantifient l'importance de l'échange d'énergie entre les modes tout au long du segment perturbé de la fibre. Ainsi, une perturbation provoque le couplage entre les modes guidés, entre les modes rayonnés et entre les modes guidés d'une part et les modes rayonnés d'autre part. De ce dernier type de couplage, il ressort qu'il y a fuite de l'énergie des modes guidés (dont l'énergie est dans le cas idéal en partie confiné dans le coeur, guidée et sans atténuation) vers les modes rayonnés (dont l'énergie n'est pas confinée même en partie dans le coeur du guide et est rayonnée vers l'environnement extérieur de la fibre). De ce fait, les modes guidés subissent une perte d'énergie et donc une atténuation de leur énergie. Les modes guidés sont dits absorbants (sous réserve que rien dans l'environnement de la fibre ù y compris le tube ou l'éventuelle gaine mécanique - ne couple l'énergie rayonnée à nouveau dans le coeur de la fibre). Au-delà d'une certaine distance déterminée par les caractéristiques de la fibre et de la perturbation appliquée, les modes guidés ont perdu toute leur énergie. Cette distance est propre à chaque mode guidé et est appelée sa longueur effective d'atténuation. Toujours selon la théorie de la perturbation d'une fibre, si le spectre dans l'espace des fréquences spatiales (le spectre spatial) de la perturbation est limité au composantes spectrales dont la valeur est inférieure à une valeur définie par les caractéristiques de la fibre, la perturbation ne stimule aucun couplage entre les modes de la fibre. Si les valeurs des composantes spectrales sont supérieures à cette valeur mais inférieure à une valeur plus élevée également déterminée par les caractéristiques de la fibre, la perturbation stimule le couplage entre certains modes guidés de la fibre. Enfin, si la valeur des composantes spectrales est supérieure à cette deuxième valeur, la perturbation stimule le couplage entre certains modes guidés d'une part et certains modes rayonnés d'autre part.
Le spectre spatial de la perturbation peut être synthétisé pour stimuler le couplage entre des/tous les modes guidés ou entre des/tous les modes guidés d'une part et des/tous les modes rayonnés d'autre part.
Dans le cas d'un couplage indirect, de modes guidés à modes guidés, si le spectre spatial de la perturbation est limité aux composantes spectrales qui stimulent le couplage entre modes guidés, l'analyse de la perturbation d'un guide prévoit tout de même que ces modes sont absorbants. Par conséquent, la stimulation du couplage entre tous les modes guidés jusqu'aux modes guidés du groupe d'ordre m permet de faire fuir l'énergie de tous ces modes d'ordre inférieur à m vers les modes du groupe d'ordre m lesquels étant absorbants provoquent la perte de l'énergie de tous ces modes au-delà de sa distance d'atténuation efficace. Ce couplage via un groupe choisi de modes guidés absorbants est un couplage indirect de l'énergie. Il requière des composantes spectrales dont la valeur est plus élevée que la valeur des composantes spectrales qui couple les modes guidés aux modes rayonnés. Enfin, le taux de pertes (d'atténuation) de ce couplage est exactement m/M.
Dans le cas d'un couplage direct, de modes guidés à modes rayonnés, si le spectre spatial de la perturbation est limité aux composantes spectrales qui stimulent le couplage entre modes guidés d'une part et modes rayonnés d'autre part, la fuite de l'énergie des modes guidés est alors directe. Ce couplage requière des composantes spectrales dont la valeur est moins élevée que la valeur des composantes spectrales qui couple les modes guidés entre eux. On en déduit qu'il est possible de provoquer un couplage sélectif de modes en synthétisant le spectre spatial de la perturbation correspondant et en l'appliquant à la fibre. On peut donc choisir le type de couplage que l'on souhaite favoriser en réalisant une perturbation de la fibre correspondant au spectre spatial synthétisé correspondant. Les moyens de synthèse de spectre spatial fonction du/des modes à favoriser sont connus et on pourra consulter utilement à ce sujet tout ouvrage traitant de la théorie de Fourier et/ou mettre en oeuvre un logiciel commercialisé comme Matlab . Parmi les caractéristiques du spectre spatial, on peut considérer plus particulièrement les amplitudes de ses composantes ainsi que leurs fréquences (plus généralement spectre dans le domaine des fréquences). En ce qui concerne l'amplitude des composantes spectrales spatiales de la perturbation, elle détermine la force du couplage entre les modes et donc leur longueur efficace d'atténuation. Si le signal est détecté avant d'avoir parcouru la plus grande longueur efficace d'atténuation d'entre tous les modes guidés, une modulation de l'amplitude de la perturbation provoque une modulation de l'énergie du signal détectée à la sortie du segment perturbé du guide. Notons qu'il est préférable de limiter la longueur de la perturbation (donc la longueur du motif en relief dans le tube) à la plus petite longueur efficace d'atténuation des modes guidés pour établir une meilleure efficacité de la modulation des pertes par l'amplitude de la perturbation. La modulation des pertes par l'amplitude de la perturbation module l'amplitude des composantes spectrales du spectre spatial de la perturbation mais pas leur fréquence. En ce qui concerne la fréquence des composantes spectrales spatiales de la perturbation on peut considérer le cas d'une perturbation monochromatique et les autres cas dans lesquels le spectre non monochromatique peut être connu ou non. Notons que la modulation des pertes par la fréquence de la perturbation module la fréquence des composantes spectrales du spectre spatial de la perturbation mais pas leur amplitude. Dans le cas d'une perturbation monochromatique qui est donc une perturbation dont le spectre spatial se réduit à une seule composante, la perturbation à appliquer est sinusoïdale avec un pas ou période spatiale A. Une telle perturbation favorise le couplage entre deux modes dont la différence entre les valeurs de leurs constantes de propagation respectives est égale à la norme du vecteur d'onde spatial de la perturbation soit 2ir/A.
Dans le cas d'une perturbation à spectre déterminé, en choisissant exactement quels modes doivent être couplés entre eux par la perturbation, on peut déterminer les composantes spectrales requises qui permettent alors de synthétiser le spectre spatial de la perturbation et donc sa forme dans l'espace conformément à la théorie de Fourier. Le cas d'une perturbation à spectre indéterminé peut être étudié d'un point de vue théorique, notamment par des outils d'analyse de l'impact d'une perturbation dont le spectre est indéterminé et seulement connu par ses caractéristiques statistiques (moyenne de la valeur des composantes spectrales, écart type, longueur de corrélation etc.). Si l'on s'intéresse maintenant aux différentes natures de perturbations provoquant le couplage de modes on peut considérer les perturbations mécaniques et les perturbations thermiques. Parmi les perturbations mécaniques, on peut considérer la modulation due à des micro-courbures de la fibre multimode et la modulation isotrope ou anisotrope sur le diamètre de la fibre multimode.
En pratique, le transducteur de l'invention consiste en une fibre optique ensevelie dans un milieu perturbateur appelé milieu environnant , ledit milieu environnant étant structuré afin qu'il applique à la surface ou au volume de la fibre une perturbation avec un spectre spatial (amplitude et distribution dans l'espace) déterminé. En ce qui concerne une perturbation de type micro-courbure, c'est une courbure de la fibre dans un plan contenant son axe de propagation. A la différence d'une courbure simple souvent appelée macro-courbure, une micro-courbure est une perturbation et non pas une simple modification de la fibre au repos. En effet, la macro-courbure transforme la structure de modes de la fibre c'est à dire que le profil de ces modes change de façon déterminée de sorte que l'on peut dire que la structure des modes s'adapte en quelque sorte à la nouvelle position de la fibre.
Mathématiquement, cette modification est analysable même si la modélisation procède par approximation au premier ordre ou au deuxième ordre des solutions exactes des modes dans la macrocourbure. La micro-courbure, quant à elle, est traitée comme une perturbation qui ne modifie pas la modélisation de la structure de modes (modes de la fibre au repos) mais couple les modes entre eux. De plus, la perturbation par micro-courbure s'entend le plus souvent comme une succession de micro-courbures tout au long du segment perturbé de la fibre. Dans la pratique, le couplage des modes qui deviennent donc absorbants reflète le fait que la structure de modes de la fibre au repos n'a pas le temps de s'adapter aux changements d'états successifs (plusieurs micro-courbures) de la fibre et par conséquent perdent une partie de leur énergie (ils sont absorbants) puisque cette structure n'est pas celle de modes parfaitement guidés dans le segment perturbé. De fait, la forme des micro-courbures détermine quelles composantes spectrales sont présentes dans le spectre spatial de la perturbation et avec quels poids. La forme détermine donc quels modes sont couplés et l'amplitude de la perturbation (à laquelle sont proportionnels les poids des composantes spectrales) détermine la force du couplage entre les modes effectivement couplés. L'analyse de ces composantes spectrales et de leurs poids à savoir l'analyse du spectre de la micro-courbure peut être ramenée à l'analyse du spectre de la courbure de la fibre. L'analyse des micro-courbures revient donc à analyser la courbure des micro-courbures. Ce spectre détermine donc quels groupes de modes sont effectivement couplés et donc si le couplage est direct ou indirect ou bien les deux simultanément. La modulation dans le cadre de la micro-courbure peut être 30 obtenue par effet de mouvement ou par effet d'ouverture numérique de la fibre multimode. Pour ce qui concerne l'effet de mouvement , il existe deux méthodes pour moduler l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment perturbé. - Si la longueur du segment perturbé est plus petite que la plus petite des longueurs efficaces des modes guidés de la fibre, alors chaque mode guidé transporte toujours de l'énergie à la sortie du segment perturbé. Si la fibre épouse pleinement la forme des micro-courbures et que seule est modulée l'amplitude des micro-courbures, alors la force du couplage entre les modes effectivement couplés, c'est à dire le poids des composantes spectrales des micro-courbures (lesquels poids sont proportionnels à l'amplitude des micro-courbures), est modulée et par conséquent l'énergie du signal guidé à la sortie du segment perturbé est modulée proportionnellement. Il s'agit d'une modulation par l'amplitude du spectre spatial de la perturbation. Cette méthode requière un mouvement convergeant vers l'axe de la fibre du milieu environnant et, ce, dans le plan des micro-courbures. - Si la longueur du segment perturbé excède la plus grande longueur efficace d'atténuation des modes guidés de la fibre, les modes couplés entre eux par les micro-courbures perdent toute leur énergie avant que le signal guidé ne sorte du segment perturbé. Si les micro-courbures ne sont appliquées que progressivement, c'est à dire que la perturbation module le spectre de la courbure de la position du guide optique au repos (courbure nulle = rayon de courbure infini) jusqu'à un spectre définit par le milieu environnant (fixé par ce même milieu), les micro-courbures augmentent progressivement le nombre de modes couplés absorbants de 1 à m c'est à dire le taux de modes m/M dont l'énergie est totalement perdue à la sortie du segment perturbé. Ainsi, le spectre effectif des micro-courbures module l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment perturbé. Il s'agit d'une modulation par la fréquence du spectre spatial de la perturbation.
Cette méthode requière également un mouvement convergeant du milieu environnant vers l'axe de la fibre et, ce, dans le plan des micro-courbures. Ainsi, dans les deux méthodes d'exploitation des micro-courbures décrites ci-dessus on peut dire que la modulation est 35 obtenue par le mouvement du milieu environnant .
Pour ce qui concerne l'effet d'ouverture numérique , on constate qu'en appliquant l'une ou l'autre des méthodes de perturbation des micro-courbures par le mouvement décrite précédemment et en fixant l'ampleur de la perturbation à un point de fonctionnement déterminé, il est encore possible de moduler l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment en modulant l'ouverture numérique de la fibre. En effet, dès lors que la fibre est pré-perturbée par des micro- courbures par le mouvement , une variation de l'indice de réfraction du coeur de la fibre due à une variation d'un paramètre de l'environnement (la mesurande) différente de la variation de l'indice de réfraction de sa gaine optique due à la même variation d'un paramètre de l'environnement (la mesurande) entraîne une variation de l'ouverture numérique de la fibre et donc une variation du taux de couplage des modes effectivement couplés et par conséquent une modulation de l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment perturbé. Une variation de l'ouverture numérique signifie en effet un changement de la structure des modes. Traitée comme une perturbation, la variation d'ouverture numérique provoque le couplage entre les modes. La différence de variation des indices de réfraction entre le coeur et la gaine optique est due à la différence de sensibilité de l'indice de réfraction au paramètre (la mesurande) entre le coeur et la gaine optique. La pré-perturbation par des micro-courbures par le mouvement amène le segment perturbé au point de fonctionnement où la sensibilité des pertes d'énergie du signal guidé aux variations de l'ouverture numérique est la meilleure. Les effets thermo-optique (variation de l'indice de réfraction en fonction de la température) et élasto-optique (variation de l'indice de réfraction en fonction de la contrainte induite par pression ou par déformation) sont des exemples d'effets permettant à un paramètre de l'environnement (la mesurande) de moduler l'ouverture numérique de la fibre.
Cette méthode qui ne requière pas de mouvement du milieu environnant à l'exception du pré-mouvement est donc une méthode de modulation par l'ouverture numérique . En ce qui concerne maintenant la modulation isotrope des diamètres de la fibre multimode, elle consiste en une modulation des dimensions transversales de la fibre c'est à dire des dimensions de sa section droite (laquelle est la surface perpendiculaire à l'axe de la fibre) et elle modifie les dimensions transversales du coeur. Elle modifie également les dimensions transversales de la gaine optique de la fibre sous réserve que la gaine ne soit pas le milieu environnant lui-même. Elle modifie enfin les dimensions transversales du revêtement de la fibre s'il existe. Lorsque tous les diamètres dans la section droite de la fibre (un diamètre s'entend comme la distance séparant deux points du contour du coeur, de la gaine optique ou du revêtement et alignés avec le centre de la section droite de la fibre lui-même défini par l'intersection de l'axe de la fibre avec sa section droite) sont modulés en longueur dans les mêmes proportions et en phase (c'est à dire augmentent ou diminuent ensembles) la modulation est qualifiée d'isotrope dans la section droite de la fibre. Un exemple pratique consiste à moduler tout au long du segment perturbé le diamètre d'une fibre à section droite circulaire. Une telle perturbation est appelée modulation isotrope des diamètres de la fibre. La modulation isotrope des diamètres de la fibre est une perturbation de la fibre et provoque, comme dans le cas des micro-courbures, le couplage entre les modes de la fibre lesquels deviennent absorbants. Son spectre détermine donc quels groupes de modes sont effectivement couplés et donc si le couplage est direct ou indirect.
Comme dans le cas des micro-courbures, il existe avec la modulation isotrope des diamètres deux méthodes par effet mouvement pour moduler l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment perturbé. - Si la longueur du segment perturbé est plus petite que la plus petite des longueurs efficaces d'atténuation des modes guidés de la fibre, alors chaque mode guidé transporte toujours de l'énergie à la sortie du segment perturbé. Si seule est modulée l'amplitude de la modulation des diamètres de la fibre, alors la force du couplage entre les modes effectivement couplés, c'est à dire le poids des composantes spectrales de la modulation (lesquels sont proportionnels à l'amplitude de la modulation des diamètres de la fibre), sont modulés et par conséquent l'énergie du signal guidé à la sortie du segment perturbé est modulée proportionnellement. Cette méthode de modulation par l'amplitude du spectre spatial de la perturbation, requière un mouvement convergeant, vers l'axe de la fibre, du milieu environnant tout autour de la fibre. - Si la longueur du segment perturbé excède la plus grande longueur efficace d'atténuation des modes guidés de la fibre, les modes couplés entre eux par la modulation des diamètres de la fibre perdent toute leur énergie avant que le signal guidé ne sorte du segment perturbé. Si le pas de la modulation des diamètres de la fibre varie en fonction du paramètre (la mesurande), alors le nombre de modes couplés absorbants de 1 à m, c'est à dire le taux de modes m/M dont l'énergie est totalement perdue à la sortie du segment perturbé varie également. Ainsi, le spectre effectif de la modulation des diamètres de la fibre module l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment perturbé. Cette méthode par la fréquence du spectre spatial de la perturbation requière un mouvement, appliqué à la fibre, du milieu environnant le long de et parallèlement à l'axe de la fibre mais également un mouvement déterminé et pré-appliqué convergeant vers l'axe de la fibre du milieu environnant .
Les deux méthodes d'exploitation de la modulation isotrope des diamètres de la fibre décrites ci-dessus fonctionnent par le mouvement du milieu environnant . Comme dans le cas des micro-courbures, il existe avec la modulation isotrope des diamètres une méthode par effet d'ouverture numérique pour moduler l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment perturbé. En effet, en appliquant l'une ou l'autre des méthodes de perturbation par la modulation isotrope des diamètres de la fibre par le mouvement et en fixant l'ampleur de la perturbation à un point de fonctionnement déterminé, il est encore possible de moduler l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment et ce en modulant l'ouverture numérique de la fibre.
En effet, dès lors que la fibre est pré-perturbée par une modulation de ses diamètres par le mouvement, une variation de l'indice de réfraction du coeur de la fibre due à la variation du paramètre de l'environnement (la mesurande) différente de la variation de l'indice de réfraction de sa gaine due à la même variation du paramètre (la mesurande) entraîne une variation de l'ouverture numérique du guide et donc une variation du taux de couplage des modes effectivement couplés et par conséquent une modulation de l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment perturbé. Une variation de l'ouverture numérique signifie en effet un changement de la structure des modes. Traitée comme une perturbation, la variation d'ouverture numérique provoque le couplage entre les modes. La différence de variation des indices de réfraction entre le coeur et la gaine est due à la différence de sensibilité de l'indice de réfraction au paramètre (la mesurande) entre le coeur et la gaine. La pré-perturbation par la modulation des diamètres de la fibre par le mouvement amène le segment perturbé au point de fonctionnement où la sensibilité des pertes d'énergie du signal guidé aux variations de l'ouverture numérique est la meilleure.
Les effets thermo-optique (variation de l'indice de réfraction en fonction de la température) et élasto-optique (variation de l'indice de réfraction en fonction de la contrainte induite par pression ou par déformation) sont des exemples d'effets permettant à une mesurande de moduler l'ouverture numérique de la fibre.
Cette méthode ne requière pas de mouvement du milieu environnant à l'exception du pré-mouvement et est donc une méthode de modulation par l'ouverture numérique . En ce qui concerne la modulation des dimensions transversales de la fibre c'est à dire des dimensions de sa section droite (laquelle est la surface perpendiculaire à l'axe de la fibre), elle modifie les dimensions transversales du coeur. Elle modifie également et les dimensions transversales de la gaine de la fibre sous réserve que la gaine ne soit pas le milieu environnant lui-même. Elle modifie enfin les dimensions transversales du revêtement de la fibre s'il existe. Lorsque tous les diamètres dans la section droite de la fibre sont modulés en longueur dans des proportions et des phases différentes (c'est à dire qu'ils n'augmentent ou ne diminuent pas ensemble), la modulation est qualifiée d'anisotrope dans la section droite de la fibre. Un exemple consiste à moduler tout au long du segment perturbé le diamètre d'une fibre à section droite circulaire en l'allongeant dans une direction et en le diminuant dans la direction perpendiculaire (contour elliptique) puis inversement dans les mêmes directions (rotation du contour elliptique). Une telle perturbation est appelée modulation anisotrope des diamètres de la fibre. La modulation anisotrope est une perturbation de la fibre et provoque comme dans les cas de perturbation précédents le couplage entre les modes de la fibre lesquels deviennent absorbants. Son spectre détermine donc quels groupes de modes sont effectivement couplés et donc si le couplage est direct ou indirect. En ce qui concerne la modulation par le mouvement, il existe encore deux méthodes pour moduler l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment perturbé. - Si la longueur du segment perturbé est plus petite que la plus petite des longueurs efficaces d'atténuation des modes guidés de la fibre, alors chaque mode guidé transporte toujours de l'énergie à la sortie du segment perturbé. Si seule est modulée l'amplitude de la modulation des diamètres de la fibre, alors la force du couplage entre les modes effectivement couplés c'est à dire le poids des composantes spectrales de la modulation (lesquels sont proportionnels à l'amplitude de la modulation des diamètres de la fibre) est modulé et par conséquent l'énergie du signal guidé à la sortie du segment perturbé est modulée proportionnellement. Cette méthode de modulation par l'amplitude du spectre spatial de la perturbation requière un mouvement convergeant, vers l'axe de la fibre, du milieu environnant tout autour de la fibre. - Si la longueur du segment perturbé excède la plus grande longueur efficace d'atténuation des modes guidés de la fibre, les modes couplés entre eux par la modulation des diamètres de la fibre perdent toute leur énergie avant que le signal guidé ne sorte du segment perturbé. Si le pas de la modulation des diamètres de la fibre varie en fonction du paramètre (la mesurande), alors le nombre de modes couplés absorbants de 1 à m c'est à dire le taux de modes m/M dont l'énergie est totalement perdue à la sortie du segment perturbé varie également. Ainsi, le spectre effectif de la modulation des diamètres de la fibre module l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment perturbé. Cette méthode de modulation par la fréquence du spectre spatial de la perturbation requière un mouvement appliqué à la fibre par le milieu environnant le long de et parallèlement à l'axe de la fibre mais également un mouvement déterminé et pré-appliqué convergeant vers l'axe de la fibre par le milieu environnant tout autour de la fibre.
Les deux méthodes d'exploitation de la modulation anisotrope des diamètres de la fibre décrites ci-dessus fonctionnent par le mouvement du milieu environnant . En ce qui concerne la modulation par l'ouverture numérique de la fibre, en appliquant l'une ou l'autre des méthodes de perturbation par la modulation anisotrope des diamètres de la fibre par le mouvement et en fixant l'ampleur de la perturbation à un point de fonctionnement déterminé, il est encore possible de moduler l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment.
En effet, dès lors que la fibre est pré-perturbée par une modulation de ses diamètres par le mouvement, une variation de l'indice de réfraction du coeur de la fibre due à la mesurande différente de la variation de l'indice de réfraction de sa gaine due à la même mesurande entraîne une variation de l'ouverture numérique du guide et donc une variation du taux de couplage des modes effectivement couplés et donc une modulation de l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment perturbé. Une variation de l'ouverture numérique signifie en effet un changement de la structure des modes. Traitée comme une perturbation, la variation d'ouverture numérique provoque le couplage entre les modes. La différence de variation des indices de réfraction entre le coeur et la gaine est due à la différence de sensibilité de l'indice de réfraction à la mesurande entre le coeur et la gaine. La pré-perturbation par la modulation des diamètres de la fibre par le mouvement amène le segment perturbé au point de fonctionnement où la sensibilité des pertes d'énergie du signal guidé aux variations de l'ouverture numérique est la meilleure.
Les effets thermo-optique (variation de l'indice de réfraction en fonction de la température) et élasto-optique (variation de l'indice de réfraction en fonction de la contrainte induite par pression ou par déformation) sont des exemples d'effets permettant à une mesurande de moduler l'ouverture numérique de la fibre.
Cette méthode ne requière pas de mouvement du milieu environnant à l'exception du pré-mouvement et est donc une méthode de modulation par l'ouverture numérique . Dans le cas des perturbations thermiques, si la température de la fibre optique est modulée localement et selon un motif donné de gradient de température tout au long de l'axe du segment perturbé, les diamètres de la fibre varient par extension thermique. Les indices de réfraction du coeur et de la gaine de la fibre varient également. Si de plus, les variations d'indice de réfraction dues au gradient thermique sont différentes entre le coeur et la gaine optique de la fibre (différence de sensibilité de l'indice de réfraction à la température entre le coeur et la gaine), l'ouverture numérique varie. Pour finir, chaque tranche de fibre a sa propre structure de modes guidés et, ce, par effet soit thermo-géométrique, soit thermo-optique, en fait par une combinaison des deux. Il y a alors couplage entre les modes de la fibre. Le spectre spatial du gradient de température détermine la nature du couplage (direct ou indirect). Si l'extension thermique de la fibre et du milieu environnant dans la direction de l'axe de la fibre est négligeable, alors une modulation de l'amplitude du gradient thermique module la force du couplage entre les modes effectivement couplés c'est à dire le poids des composantes spectrales spatiales du gradient de température et par conséquent module l'énergie du signal entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment en supposant que la longueur du segment perturbé est plus petite que la plus petite longueur effective d'atténuation des modes guidés. Cette modulation se fait donc par l'ouverture numérique. Enfin, on peut considérer le cas des perturbations mixtes correspondant à toute perturbation combinant plusieurs des perturbations précédemment décrites et qui ne se compensent pas.
On va maintenant détailler la mise en oeuvre fonctionnelle de l'invention consistant à: - ensevelir un segment d'une fibre au repos qui doit être perturbé dans le milieu environnant (en pratique un tube enserrant la fibre) après avoir structuré ledit milieu environnant afin qu'il applique à la surface ou au volume de la fibre la perturbation souhaitée avec le spectre spatial (amplitude et distribution dans l'espace), laquelle dépend de la valeur du paramètre à mesurer (la mesurande), de sorte que le phénomène du couplage de modes qui dépend du spectre spatial de la perturbation est plus ou moins important selon les variations de la valeur de la mesurande. Ainsi, on détermine le motif du tube enserrant la fibre optique en fonction des modes à coupler pour le type de déformation prévue et le paramètre à mesurer (en particulier la façon dont il va agir sur le tube et donc la fibre).
Le choix du matériau du milieu environnant ainsi que sa structuration sont détermines par notamment: - la manière dont la mesurande agit sur le milieu environnant (la sensibilité du milieu environnant à la mesurande), - par l'action que le milieu environnant doit avoir sur la fibre et - le type de couplage de modes que cette action induit et stimule (à modulation d'amplitude des composantes spectrales ou bien à modulation des composantes spectrales elles-mêmes du spectre spatial, en couplage direct ou en couplage indirect).
Dans une mise en oeuvre préférentielle d'un dispositif permettant l'exécution fonctionnelle de l'invention, le milieu environnant autour de la fibre est formé de deux demi-cylindres identiques qui sont joints ensembles de façon symétrique pour former un tube cylindrique avec un diamètre intérieur et un diamètre extérieur. La surface intérieure des deux demi-cylindres est structurée par usinage (avec un outil mécanique ou par usinage laser) ou gravure (attaque chimique après masquage par exemple) de manière à former le motif de la perturbation mécanique qui doit être appliquée à la fibre. Les deux demi-cylindres enserrent la fibre et sont soudés ensembles pour former un tube autour de la fibre lequel tube applique à la fibre la perturbation mécanique synthétisée comme souhaitée. En alternative de la soudure, les deux demi-cylindres sont collés, sertis ou clipsés ensembles autour de la fibre. Cette perturbation mécanique est soit un ensemble de micro-courbures, soit une modulation isotrope ou anisotrope des diamètres de la fibre. Le motif est préalablement déterminé par la synthèse de son spectre spatial et selon que le mode de couplage choisi est le mode direct ou indirect et selon encore que la modulation du spectre spatial se fait par l'amplitude ou la fréquence et est induite par le mouvement ou l'ouverture numérique. Le segment de fibre enserré dans le tube formé par les deux demi-cylindres dont la surface interne est structurée, est le transducteur à fibre optique multimode. Une telle disposition de transducteur est sa structure générale préférée.
Cette structure générale de transducteur peut être modifiée selon le paramètre auquel on souhaite le rendre sensible et on va en considérer quatre exemples dans la suite qui sont : la sensibilité au déplacement du milieu environnant , à la pression du milieu environnant , la déformation longitudinale du milieu environnant et la dilatation thermique du milieu environnant . Sensibilité au déplacement La structure générale du transducteur est modifiée afin de le rendre sensible au déplacement des deux demi-cylindres l'un vers l'autre. La perturbation mécanique est un ensemble de micro-courbures. Les deux demi-cylindres à surface interne structurées (segments structurés) et qui ne sont pas solidarisés ensembles se poursuivent par des prolongements d'une certaine longueur et la surface interne des prolongements n'est pas structurée (usiné/gravée) selon le motif de la perturbation mais forme un sillon (ou toute autre forme non perturbante pour la fibre) capable de recevoir la fibre sans la perturber. Le long d'une partie de ces prolongements qui se trouvent de part et d'autre des segments structurés selon le motif de la perturbation, l'épaisseur de l'un ou de chacun des prolongements demi-cylindriques est réduite pour former deux poutrelles flexibles attenantes au segment structuré selon le motif de la perturbation. Ainsi, grâce aux poutrelles infléchies, les segments structurés peuvent être amenés à s'appuyer sur la fibre en la déformant lorsqu'ils sont soumis à une force, puis les faire revenir à leur position initiale lorsque la force exercée est supprimée sous réserve que l'inflexion des poutrelles se produit dans leur domaine d'élasticité (hors domaine plastique). Cette condition est déterminée par l'élasticité du matériau, l'épaisseur et la longueur des poutrelles et enfin la course de leur inflexion. A noter que les prolongements comme leur nom l'indique prolongent la structure et ne sont pas des ponts sur les demi-cylindres. Les deux demi-cylindres (segments structurés) enserrent la fibre et les extrémités des prolongements opposés aux segments structurés sont quant à eux soudés ensembles, les prolongements formant poutrelles flexibles étant non solidarisés avec leur vis-à-vis. Dans une variante les prolongements n'existent que d'un seul coté des demi-cylindres (segments structurés). Un exemple de demi-cylindre 1 est donné sur la Figure 1 avec le segment structuré 2 comportant des motifs en relief 6 intérieurement. Le segment structuré 2 se prolonge de chaque coté, axialement/longitudinalement, par des poutrelles 3 (ou pattes élastiques) et des prolongements 4 proprement dits comportant des pattes 5 permettant leur fixation à des pattes complémentaires du demi-cylindre opposé (non représenté). Les forces appliquées sont radiales et schématisées par des flèches empâtées. Ces forces représentées en compression axiale peuvent également être en traction axiale (dans le cas où la fibre est pré-contrainte au repos). On comprend que le transducteur résulte de l'accolement de deux demi-cylindres 8 à face interne structurée 6 et enserrant une fibre optique multimode 9 comme représenté Figure 3 en vue éclatée. Si la fibre est droite entre les deux demi-cylindres, lorsque aucune force n'est exercée sur les demi-cylindres (pas de micro-courbures imprimées à la fibre), toute force exercée sur le transducteur perpendiculairement à l'axe du tube (force radiale) et des micro-courbures et dans la zone des segments usinés selon le motif des micro-courbures rapproche les deux demi-cylindres l'un de l'autre et provoque une modulation de la courbure des micro-courbures imprimées à la fibre. Il en résulte une modulation par le mouvement du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment. Dans cette mise en oeuvre de la perturbation avec des micro-courbures, le transducteur est sensible au déplacement, à savoir le déplacement transmis au(x) demi-cylindre(s) avec son/ses prolongements (poutrelles) par n'importe quel mécanisme, lequel mécanisme peut éventuellement maintenir l'autre demi-cylindre immobile. En connaissant l'élasticité du transducteur dans la direction perpendiculaire à son axe, ce transducteur est aussi sensible à la force.
Pression du milieu environnant et notamment pression hydrostatique. La structure générale du transducteur est modifiée afin de le rendre sensible à la pression exercée sur le tube du transducteur. La perturbation mécanique est soit un ensemble de micro-courbures, soit une modulation des diamètres de la fibre isotrope ou anisotrope. Si la perturbation mise en oeuvre est un ensemble de micro-courbures, la fibre est micro-courbée de sorte que sa courbure soit celle des micro-courbures du motif usiné sur la surface interne des demi-cylindres c'est à dire que la fibre épouse complètement le motif de l'usinage des demi-cylindres. Dans ce cas comme dans le cas d'une modulation des diamètres de la fibre isotrope ou anisotrope, la fibre est pré-perturbée par le mouvement lorsque les deux demi-cylindres l'enserrent et sont soudés ensembles. Le tube induit ainsi un taux initial de perte de l'énergie du signal guidé par la fibre entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment et génère une distribution de contraintes initiales dans le coeur, la gaine (si différente du milieu environnant ) et le revêtement (s'il existe) de la fibre. Le matériau du coeur, de la gaine et du revêtement de la fibre et du tube sont tous choisis ainsi que leurs épaisseurs en sorte que toute pression exercée sur le tube sera au moins partiellement transmise au revêtement, à la gaine et au coeur de la fibre. Les matériaux de la fibre sont encore choisis de sorte qu'ils possèdent des coefficients élasto-optiques distincts (sensibilités distinctes entre le revêtement, la gaine et le coeur de l'indice de réfraction à la pression exercée sur le matériau). Ainsi, toute pression exercée sur le transducteur provoque une modulation par l'ouverture numérique du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment. L'amplitude initiale de la perturbation est choisie de telle sorte que la sensibilité de l'ouverture numérique aux variations de la pression exercée est maximale.
Si toutefois le choix des matériaux et l'amplitude de la pression exercée sur le transducteur font que la modulation par l'amplitude du spectre spatial de la perturbation due à la compression du tube n'est pas négligeable, alors, la modulation par le mouvement du signal guidé s'ajoute à la modulation par l'ouverture numérique. Déformation longitudinale du milieu environnant La structure générale du transducteur est modifiée afin de le rendre sensible à la déformation longitudinale exercée sur le tube du transducteur le long de son axe de symétrie (déformation longitudinale). La perturbation mécanique est soit un ensemble de micro-courbures, soit une modulation des diamètres de la fibre isotrope ou anisotrope. Si la perturbation mise en oeuvre est un ensemble de micro-courbures, la fibre est micro-courbée de sorte que sa courbure soit celle des micro-courbures du motif usiné sur la surface interne des demi-cylindres c'est à dire que la fibre épouse complètement le motif de l'usinage de demi-cylindres. Dans ce cas comme dans le cas d'une modulation des diamètres de la fibre isotrope ou anisotrope, la fibre est pré- perturbée par le mouvement lorsque les deux demi-cylindres l'enserrent et sont soudés ensembles. Le tube induit ainsi un taux initial de perte de l'énergie du signal guidé par la fibre entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment et génère une distribution de contraintes initiales dans le coeur, la gaine (si différente du milieu environnant ) et le revêtement (s'il existe) de la fibre. Le matériau du coeur de la fibre, de la gaine et du revêtement de la fibre ainsi que celui du tube sont tous choisis ainsi que leurs épaisseurs et la longueur du segment perturbé en sorte que le tube ait une élasticité apparente permettant de le déformer longitudinalement (le long de son axe de symétrie) en exerçant une force donnée. Dans ce cas, toute déformation longitudinale module le spectre spatial de la perturbation par la fréquence et par le mouvement. Il résulte que l'énergie du signal guidé est modulée entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment. Un exemple de demi-cylindre 10 est donné sur la Figure 2 avec le segment structuré 2 comportant des motifs en relief 6 intérieurement. Le segment structuré 2 se prolonge de chaque coté, axialement/longitudinalement, par des brides (collerettes) 7 permettant l'application de forces axiales/longitudinales. Les brides 7 peuvent comporter de orifices alésés ou taraudés (non représentés). Le segment structuré 2 comporte des pattes 5 permettant leur fixation à des pattes complémentaires du demi-cylindre opposé (non représenté). Les forces appliquées sont axiales et schématisées par des flèches empâtées (compression ou traction). Toutefois, les matériaux de la fibre peuvent encore être choisis de sorte qu'ils possèdent des coefficients élasto-optiques distincts (sensibilités distinctes entre le revêtement, la gaine et le coeur de l'indice de réfraction à la contrainte exercée sur le matériau). Si le choix des matériaux et l'amplitude de la déformation exercée sur le transducteur font que la variation de l'indice de réfraction du coeur de la fibre et la variation de l'indice de réfraction de la gaine de la fibre (ces deux variations étant déterminées par les coefficients élasto-optiques de chaque milieu) ne sont pas négligeables et sont différentes, la modulation du signal guidé se fait alors par l'ouverture numérique. Elle s'ajoute à la modulation du spectre spatial par la fréquence et par le mouvement sous réserve que celle-ci ne soit pas négligeable. Elle s'y substitue si celle-ci est négligeable. Dans le cas d'une modulation par l'ouverture numérique, l'amplitude initiale de la perturbation est choisie de telle sorte que la sensibilité de l'ouverture numérique aux variations de la pression exercée est maximale.
Dilatation thermique du milieu environnant La structure générale du transducteur est modifiée afin de le rendre sensible à la température environnant le tube du transducteur. La perturbation mécanique est un soit un ensemble de micro-courbures, soit une modulation des diamètres de la fibre isotrope ou anisotrope.
Si la perturbation mise en oeuvre est un ensemble de micro-courbures, la fibre est micro-courbée de sorte que sa courbure soit exactement celle des micro-courbures du motif usiné ou gravé sur la surface interne des demi-cylindres, c'est à dire que la fibre épouse complètement le motif des demi-cylindres. Dans ce cas comme dans le cas d'une modulation des diamètres de la fibre isotrope ou anisotrope, la fibre est pré-perturbée par le mouvement lorsque les deux demi-cylindres l'enserrent et sont soudés ensembles. Le tube induit ainsi un taux initial de perte de l'énergie du signal guidé par la fibre entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment et génère une distribution de contraintes initiales dans le coeur, la gaine (si différente du milieu environnant ) et le revêtement (s'il existe) de la fibre.
Le matériau du coeur de la fibre, de la gaine et du revêtement de la fibre et du tube sont tous choisis en sorte que la température environnant le tube induit une dilatation longitudinale du tube. Le tube exerce alors une déformation longitudinale sur la fibre et module ainsi le spectre spatial de la perturbation par la fréquence et par le mouvement. Il résulte que l'énergie du signal guidé est modulée entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment. Le matériau et l'épaisseur du tube peuvent encore être choisis de sorte que la dilatation thermique du tube dans le plan de la section droite de la fibre n'est pas négligeable. Le tube exerce alors une pression sur la fibre et provoque ainsi une modulation du spectre spatial de la perturbation par l'amplitude ce qui module l'énergie du signal guidé entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment.
Les matériaux de la fibre peuvent enfin être choisis de sorte qu'ils possèdent des coefficients thermo-optiques distincts (sensibilités distinctes entre le revêtement, la gaine et le coeur de l'indice de réfraction à la température environnant le matériau). Dans ce cas, les variations de température provoquent une modulation de l'ouverture numérique de la fibre. L'énergie du signal guidé est donc modulée entre son entrée dans le segment perturbé et sa sortie de ce même segment. En pratique, cette modulation par l'ouverture numérique s'ajoute toujours aux précédentes et s'y substituent lorsque les modulations par le mouvement sont négligeables.
L'ampleur initiale de la perturbation est choisie de telle sorte que la sensibilité de l'ouverture numérique aux variations de température soit maximale si cette modulation est exploitée. Ainsi, le choix des matériaux du transducteur en fonction de leurs propriétés (élasticité, expansion thermique, coefficients thermo- optiques ou élasto-optiques), le choix des dimensions du tube, de la fibre et du segment perturbé, le choix de la nature de la perturbation et du type de couplage de modes induit sont autant de degrés de liberté qui permettent de réaliser un transducteur sensible soit à la température environnante, soit à la déformation longitudinale le long de son axe, soit à la pression/force/contrainte, soit au déplacement. On détaille maintenant la mise en oeuvre de l'invention. Les calculs et évaluations de grandeurs nécessaires à la réalisation d'un transducteur à fibre optique multimode se font dans le cadre du couplage entre modes (non évanescents) d'une fibre optique à savoir un diélectrique (non magnétique) faiblement absorbant (hors perturbation) et dans l'approximation du faible guidage. Ces calculs et évaluations sont basés sur la théorie établie et les exemples exposés par Dietrich Marcuse (Theory of Dielectric Optical Waveguides, Dietrich Marcuse, 2nd edition, chapitres 1 à 4, Academic Press Inc., ISBN 0-12-470951-6, 1991). Comme précédemment expliqué, selon qu'il est choisi de moduler la transmission du segment perturbé de la fibre optique multimode, à savoir le transducteur, par le mouvement et par l'amplitude ou par le mouvement et par le spectre ou encore par l'ouverture numérique, par couplage direct ou par couplage indirect, par l'action de micro-courbures ou l'action des variations isotropes du diamètre de coeur de la fibre ou encore l'action des variations anisotropes du diamètre de coeur de la fibre (ex.: variation de son ellipticité), différentes situations se présentent pour la longueur du segment perturbé, l'amplitude de la perturbation et son spectre.
En particulier, il est possible de déduire la longueur que le transducteur doit, soit excéder (couplage direct), soit ne pas dépasser (couplage indirect). Ainsi, les calculs effectués selon la théorie de Marcuse concernant le couplage entre deux modes guidés dû par exemple aux variations isotropes du diamètre de coeur de la fibre et d'une amplitude de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres pour un diamètre initial de 5 pm (soit de l'ordre du pourcent du diamètre initial) aboutissent à une longueur de l'ordre du centimètre pour un échange total de l'énergie du mode fondamental LP01 vers le mode voisin LP02. De même, une atténuation presque totale (plus 99% de perte d'énergie) par couplage du mode guidé fondamental LP01 de la même fibre au mode rayonné le plus fortement couplé pour une même amplitude de perturbation du diamètre de coeur de la fibre optique prévoit une longueur de plusieurs mètres pour le transducteur. Dans les deux cas, le pas de la perturbation optimise l'échange d'énergie c'est a dire que son inverse multiplié par 27[ est égal à la différence entre les constantes de propagation des modes couplés. Des amplitudes de perturbation de l'ordre de quelques micromètres ramènent la longueur du transducteur à quelques millimètres pour l'échange total d'énergie entre les modes guidés LP01 et LP02 et à quelques centimètres pour une perte presque totale de l'énergie du mode guidé fondamental LP01 par échange d'énergie avec le mode rayonné qui lui est le plus fortement couplé. Les autres échanges totaux d'énergie entre modes guidés ou un des modes guidés d'une part et l'ensemble des modes rayonnées d'autre part, exigent des longueurs de transducteur un peu plus importantes mais les ordres de grandeur restent les même: quelques millimètres entre modes guidés et quelques centimètres entre un des modes guidés et tous les modes rayonnés. Tout ceci pour des amplitudes de perturbation de quelques pourcents de la valeur du diamètre de la fibre non perturbée et aux longueurs d'onde de l'optique allant du visible au proche infrarouge. En particulier, la modulation du signal par couplage direct et 35 par modulation par le spectre d'une perturbation qui consiste en la modulation isotrope du diamètre de coeur de la fibre exige une longueur de transducteur de plusieurs centimètres (allant par exemple de 5 cm à 10 cm selon la longueur d'onde et l'amplitude de la perturbation) afin de perdre presque totalement l'énergie des modes guidés alors couplés aux modes rayonnés par la perturbation. Ceci s'applique que la modulation du spectre de la perturbation résulte du mouvement (par exemple traction longitudinale le long de l'axe du tube qui est l'axe des variations induites par la perturbation) ou de la modulation de l'ouverture numérique.
Le pas de la perturbation qui couple un des modes guidés d'ordre de groupe inférieur (m = 0, 1, 2) aux plus proches modes rayonnés (à savoir les modes rayonnés les plus proches dans l'espace des constantes de propagation avec une constante légèrement inférieure à ko ngo où ko est le vecteur d'onde de l'onde optique dans le vide et ngo l'indice de réfraction de la gaine optique de la fibre) est de quelques micromètres pour une fibre optique d'ouverture numérique 0,5, de diamètre de coeur de 200 pm et excitée à la longueur d'onde de 630 nm. Le pas de la perturbation qui couple un des modes guidés d'ordre de groupe supérieur (m = M, M - 1, M - 2, M: nombre total de groupe de modes guidés) aux plus proches modes rayonnés est de quelques centaines de micromètres voire quelques millimètres pour la même fibre optique. Ainsi, le spectre de la perturbation est synthétisé comme suit. La plus grande fréquence spatiale correspondant au plus petit pas nécessaire de perturbation et la plus petite fréquence spatiale correspondant au plus grand pas nécessaire de perturbation sont déterminés en sorte que le nombre de modes guidés couplés à l'ensemble des modes rayonnés soit M - min; pour une perturbation qui est à un point d'action déterminé. Les modes guidés dont l'énergie est ainsi perdue sont d'ordre de groupe de min; + 1 à M. Le spectre est alors la fenêtre des composantes de fréquence spatiale comprise entre la plus petite fréquence spatiale et la plus grande fréquence spatiale du spectre. Par une transformée de Fourier, le spectre des fréquences spatiales de la perturbation se traduit dans l'espace ordinaire par une oscillation apodisée de pas égal au plus petit pas du spectre de la perturbation. Le taux d'apodisation (étalement de la perturbation dans l'espace ordinaire) est déterminé par la largeur dans l'espace des fréquences spatiales du spectre de la perturbation.
Par exemple, une fibre optique dont le coeur est en verre (silice amorphe), de diamètre de coeur de 200 pm excitée par une onde optique de longueur d'onde dans le vide de 630 nm et d'ouverture numérique de 0,2 compte M = 141 groupes de modes guidés. Une variation de son diamètre de coeur avec un spectre de perturbation dont le plus petit pas est 50 pm et le plus grand pas 8,535 mm couple les 100 modes d'ordre de groupe de 42 à 141. Afin de respecter les proportions mentionnées ci-dessus pour la longueur du transducteur et l'amplitude de la perturbation au niveau du diamètre de coeur, l'amplitude la perturbation est de l'ordre du micromètre pour un transducteur de quelques centimètres de longueur. Exemple de transducteur de pression par modulation de l'ouverture numérique. Le transducteur de pression est constitué d'une fibre optique à matériau en verre (silice amorphe) pour le coeur et en verre dopé pour la gaine optique. La gaine mécanique est de préférence en polyimide. Le diamètre de coeur est 200 pm, le diamètre de gaine optique de quelques dizaines de micromètre supplémentaires, par exemple 230 pm et le diamètre de gaine mécanique de quelques dizaines de micromètres supplémentaires également, par exemple 240 pm. On peut déterminer qu'une amplitude de perturbation isotrope du diamètre de la fibre de l'ordre de 10 pm sur la gaine mécanique entraîne quelques micromètres sur le coeur de la fibre. Cette valeur se déduit du rapport des élasticités divisées chacune par l'épaisseur des matériaux du coeur et des gaines de la fibre (les raideurs par unité de surface des ressorts équivalents à chaque milieu dans la direction radiale de la fibre). Selon le modèle utilisé, modèle de ressorts couplés en série, l'amplitude de la déformation du diamètre du coeur se déduit de l'amplitude de la perturbation qui s'applique directement à la gaine mécanique selon la formule suivante: t iii ti d avec pour valeurs de module d'Young du coeur (verre) Ycoeur ù 72 GPa, de diamètre du coeur dcoeur = 200 pm, de module d'Young de la gaine optique (verre dopé) Ygo ù 72 GPa, de diamètre de la gaine optique dgo = 230 pm, de module d'Young de la gaine mécanique (polyimide) Ygm -2,5 GPa et de diamètre de la gaine mécanique dgm = 240 pm, l'amplitude de la perturbation inscrite dans le tube, à savoir 30 pm, imprime au niveau du coeur de la fibres une perturbation dont l'amplitude est ù 0,082 x 30 = 2,46 pm, soit 1,23% du diamètre de coeur de la fibre hors perturbation. Un transducteur peut être réalisé avec un tube en aluminium d'une épaisseur de paroi de 1 mm et qui est gravé à sa face interne.
L'aluminium a un module d'Young de 75 GPa, à savoir du même ordre de grandeur que ceux du verre et du verre dopé et supérieur à celui du polyimide. Dans un tel cas, la transmission du transducteur est de 29,08% (perte de l'énergie de 100 modes sur un total de 141 modes guidés).
Lorsqu'un tel transducteur est plongé dans un champ de pression et que le module d'Young du tube n'est pas trop grand devant celui du matériau du coeur de la fibre au moins, un champ de contraintes internes s'étend à travers tout le corps du transducteur depuis la surface externe du tube en aluminium jusqu'au centre du coeur de la fibre. Si tel n'était pas le cas pour les modules d'Young, le tube verrait les composantes du tenseur de contraintes presque s'annuler à la limite de sa surface intérieure cylindrique et ne transmettrait donc aucune contrainte aux différentes couches de la fibre optique. Ainsi, il est préférable que les modules d'Young de la fibre (coeur et gaine optique) et du tube creux dans lequel est placé la fibre, soient voisins. A tout le moins, le module d'Young du tube sera choisi pour ne pas être trop élevé par rapport à celui de la fibre .. ..uni, '1!,,,5, sous peine de voir la sensibilité du transducteur se réduire, voir le transducteur ne plus réagir aux modifications de son environnement. On peut donc choisir des matériaux pour le tube en fonction des matériaux de la fibre ou inversement.
La variation du champ des contraintes internes des différents matériaux de la fibre due aux variations des contraintes internes de l'ensemble du transducteur dues elles-mêmes aux variations du champ de pression dans lequel est plongé le transducteur modulent par effet élasto-optique l'indice de réfraction du coeur et l'indice de réfraction de la gaine optique de la fibre. Cette variation n'a pas la même amplitude entre les deux milieux car les verres sont légèrement différents du fait du dopage. Finalement, l'ouverture numérique de la fibre est modulée par les variations du champ de pression dans lequel se trouve le transducteur. La modulation est de l'ordre de quelques millièmes à quelques centièmes selon le dopage de la gaine optique et la modification des coefficients élasto-optiques par rapport à ceux du verre non dopé. Une augmentation de 1 centième de l'ouverture numérique provoque une augmentation de la transmission de 16,87% supplémentaires ce qui l'amène à 45,95% (perte de l'énergie de 80 modes sur un total de 148 modes guidés) ce qui est parfaitement détectable par un simple circuit photo-détecteur câblé sur amplificateur transimpédance puis amplificateur. Une augmentation de 1 millième de l'ouverture numérique provoque une augmentation de la transmission de 1,42% supplémentaire ce l'amène à 30,5% (perte de l'énergie de 98 modes sur un total de 141 modes guidés) ce qui est une variation de type petit signal et qui est encore facilement détectable grâce à des techniques de modulation et de démodulation synchrone qui ont l'avantage d'extraire du niveau de bruit les variations systématiques et répétables dues à la variation du champ de pression mesuré. Exemple de transducteur de déformation par modulation du spectre et par le mouvement. Dans cet exemple, la structure du transducteur de pression par 35 modulation de l'ouverture numérique est reprise sans modification.
Alors, dans les mêmes conditions de couplage mais avec le plus petit pas du spectre de la perturbation amené à 45 pm on provoque des pertes optiques presque totales par couplage direct de tous les modes guidés de la fibre aux modes rayonnés (perte de l'énergie de tous les modes guidés) soit une transmission de 0%. Une variation de 3% de la longueur du transducteur et donc des composantes du spectre de la perturbation (en termes de pas) et donc du plus petit pas de ce spectre, induit alors une augmentation de 11,35% supplémentaires de la transmission (perte de l'énergie de 125 modes sur un total de 141 modes guidés). Une augmentation de 2% de la longueur du transducteur induit une augmentation de 6,38% supplémentaires de la transmission (perte de l'énergie de 132 modes sur un total de 141 modes guidés). De telles variations sont parfaitement détectables par les moyens indiqués précédemment.
Exemple de transducteur de déformation par modulation de l'ouverture numérique. Dans cet exemple, la structure du transducteur de déformation par modulation du spectre et par le mouvement précédent est reprise en remplaçant le matériau de la gaine optique par du PMMA de même épaisseur (YPMMMA û 3,3 GPa) et le matériau de la gaine mécanique par du Tefzel de même épaisseur (YTefzel û 0,8 GPa). La perturbation de plus petit pas de 30 pm et d'amplitude de 30 pm induit alors une déformation du diamètre de coeur de 2,96 pm soit 1,48% du diamètre initial de coeur. La transmission est alors de 58,46% (perte de l'énergie de 64 modes sur un total de 260 modes guidés) pour une ouverture numérique de 0,37. Avec un coefficient élasto-optique transversal (le long des directions dans la section droite de la fibre) de 0,27 dans le coeur (Substrate-Strain-Induced tunability of Dense Wavelength-Division Multiplexing Thin-Film Filter, Rémy Parmentier et Michel Lequime, Optic Letters, vol. 28, n° 9, May 2003) et de 0,297 dans la gaine optique (Strain and Temperature Sensitivity of a Single-Mode Polymer Optical Fibre, Manuel Silva-Lopez et al., Donghui Zhao et al., Optics Letters, vol. 30, n° 23, December 2005), une déformation de 5% résulte en une diminution de transmission du transducteur de 0,71% en moins (perte de l'énergie de 65 modes sur un total de 258 modes guidés) pour une ouverture numérique de 0,3669 sachant que la variation de l'indice de réfraction le long des directions dans la section droite de la fibre est bien la variation d'indice vue par les modes qui se propagent dans la fibre. Ces variations de type petit signal sont encore une fois détectables et exploitables comme indiqué précédemment. Exemple de transducteur de température par modulation de l'ouverture numérique. Dans cet exemple, la structure du transducteur de déformation par la modulation de l'ouverture numérique est de nouveau mise en oeuvre mais avec un plus petit pas de la perturbation appliquée de 30 pm à la température ambiante. La transmission est alors de 75,38% (perte de l'énergie de 64 modes sur un total de 260 modes guidés) pour une ouverture numérique de 0,37. Alors, les coefficients thermo- optiques de la silice fondue et du PMMA étant respectivement de 9,2 10-6 (Heterodyne Interferometric Measurement of the Thermo-Optic Coefficient of Single Mode fibre, Springfield chang and al., Chinese Journl of Physics, vol. 38, n° 3-I, June 2000) et de -1,2 10-4 (Strain and Temperature Sensitivity of a Single-Mode Polymer Optical Fibre, Manuel Silva-Lopez et al., Donghui Zhao et al., Optics Letters, vol. 30, n° 23, December 2005), une variation de température de l'environnement du transducteur et transmise à tout le corps du transducteur provoque une variation de la transmission de la fibre dans le transducteur.
Ainsi, une variation de température de 10°C entraîne une variation de la transmission du transducteur de 0,85% supplémentaire (perte de l'énergie de 63 modes sur un total de 265 modes guidés) pour une ouverture numérique de 0,3769. Une variation de température de 50°C entraîne une variation de la transmission du transducteur de 4,55% supplémentaires (perte de l'énergie de 57 modes sur un total de 284 modes guidés) pour une ouverture numérique de 0,4033. Une variation de température de 100°C entraîne une variation de la transmission du transducteur de 7,9% supplémentaire (perte de l'énergie de 51 modes sur un total de 305 modes guidés) pour une ouverture numérique de 0,4338. De telles variations sont encore une fois détectables et exploitables par les moyens indiqués précédemment. La Figure 4 permet de visualiser une structuration interne de tube dont le motif a été déterminé selon les procédés de la présente 5 invention. Le transducteur de l'invention inséré dans des mécanismes de transduction appropriés permet la mesure de nombreux paramètres physiques ou chimiques.
Claims (11)
1. Transducteur à fibre optique, ledit transducteur étant sensible à au moins un paramètre d'un environnement dans lequel il est placé, la modification du/des paramètres entraînant une modification d'au moins une caractéristique mesurable d'une onde lumineuse injectée dans la fibre optique et traversant le transducteur, la fibre optique étant multimode et comportant un moyen pour que la modification de la caractéristique de l'onde lumineuse soit fonction d'une modification de couplage de modes entraînée par la modification du paramètre de l'environnement, le moyen conduisant à la modification du couplage de modes provoquant lors de la modification une déformation de la fibre dans le transducteur selon un motif déterminé, caractérisé en ce que le moyen conduisant à la modification du couplage de modes est un tube creux comportant intérieurement un motif en relief et enserrant la fibre optique au niveau du transducteur dans une section droite de la fibre.
2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la déformation est un ensemble de micro-courbures provoquant un couplage des modes de la fibre sans transformation de la structure des modes de la fibre.
3. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la déformation est une modulation spatiale du diamètre de la fibre provoquant un couplage des modes de la fibre sans transformation de la structure des modes de la fibre.
4. Transducteur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le tube creux comportant intérieurement un motif en relief et enserrant la fibre optique au niveau du transducteur contraint ladite fibre au repos, ladite fibre étant déformée selon le motif déterminé au repos
5. Transducteur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le tube creux comportant intérieurement un motif en relief et enserrant la fibre optique au niveau du transducteur ne contraint pas ladite fibre au repos, ladite fibre étant non déformée au repos.
6. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube est en deux parties longitudinales se refermant sur la fibre.
7. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque partie longitudinale comporte à au moins une de ses deux extrémités longitudinale un prolongement faisant office de bras de levier élastique permettant de ramener à une position de repos la partie correspondante en l'absence d'action du/des paramètres de l'environnement, ledit prolongement étant sans influence sur les caractéristiques de l'onde lumineuse.
8. Transducteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque partie longitudinale comporte à chacune de ses deux extrémités longitudinales un prolongement faisant office de bras de levier élastique permettant de ramener à une position de repos la partie correspondante en l'absence d'action du/des paramètres de l'environnement, ledit prolongement étant sans influence sur les caractéristiques de l'onde lumineuse.
9. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube est en deux parties 20 longitudinales réunies et solidarisées ensembles.
10. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le paramètre de l'environnement est choisi parmi une ou plusieurs des possibilités suivantes : - force par déformation du tube, 25 - force par pression ou traction radiale sur le tube, - force par pression ou traction longitudinale sur le tube, - température.
11. Procédé de réalisation d'un transducteur à fibre optique, caractérisé en ce que pour un transducteur selon l'une quelconque 30 des revendications précédentes ayant un motif en relief à l'intérieur d'un tube creux enserrant la fibre et modifiant le couplage de modes guidés et/ou rayonnés en fonction d'au moins un paramètre agissant sur ledit transducteur par déformation, on détermine le motif à partir d'un spectre spatial de perturbation en fonction des modes à coupler 35 pour le type de déformation prévu pour le paramètre à mesurer.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0757883A FR2921482B1 (fr) | 2007-09-26 | 2007-09-26 | Transducteur a fibre optique multimode et a couplage de modes, procede de realisation |
| US12/680,303 US20100303404A1 (en) | 2007-09-26 | 2008-09-26 | Transducer with multimodal optical fibre and mode coupling and method for making same |
| EP08840514A EP2198248A2 (fr) | 2007-09-26 | 2008-09-26 | Transducteur a fibre optique multimode et a couplage de modes, procede de realisation |
| PCT/FR2008/051723 WO2009050385A2 (fr) | 2007-09-26 | 2008-09-26 | Transducteur a fibre optique multimode et a couplage de modes, procede de realisation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0757883A FR2921482B1 (fr) | 2007-09-26 | 2007-09-26 | Transducteur a fibre optique multimode et a couplage de modes, procede de realisation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2921482A1 true FR2921482A1 (fr) | 2009-03-27 |
| FR2921482B1 FR2921482B1 (fr) | 2009-11-13 |
Family
ID=39545044
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR0757883A Expired - Fee Related FR2921482B1 (fr) | 2007-09-26 | 2007-09-26 | Transducteur a fibre optique multimode et a couplage de modes, procede de realisation |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20100303404A1 (fr) |
| EP (1) | EP2198248A2 (fr) |
| FR (1) | FR2921482B1 (fr) |
| WO (1) | WO2009050385A2 (fr) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108508594A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-09-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于压电陶瓷的高谐振频率光纤相位调制器 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10466412B1 (en) | 2018-08-31 | 2019-11-05 | Nexans | Selective mode suppressing multi-mode fiber optic cable for increased bandwidth |
| US11782231B2 (en) * | 2021-08-04 | 2023-10-10 | Xerox Corporation | Installation of optical sensors for use in traffic monitoring |
| US11823567B2 (en) | 2021-08-04 | 2023-11-21 | Xerox Corporation | Traffic monitoring using optical sensors |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2125572A (en) * | 1982-08-03 | 1984-03-07 | Standard Telephones Cables Ltd | Optical fibre sensors |
| US4443700A (en) * | 1980-02-01 | 1984-04-17 | Pedro B. Macedo | Optical sensing apparatus and method |
| US4530078A (en) * | 1982-06-11 | 1985-07-16 | Nicholas Lagakos | Microbending fiber optic acoustic sensor |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4915468A (en) * | 1987-02-20 | 1990-04-10 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Apparatus using two-mode optical waveguide with non-circular core |
-
2007
- 2007-09-26 FR FR0757883A patent/FR2921482B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
2008
- 2008-09-26 EP EP08840514A patent/EP2198248A2/fr not_active Withdrawn
- 2008-09-26 US US12/680,303 patent/US20100303404A1/en not_active Abandoned
- 2008-09-26 WO PCT/FR2008/051723 patent/WO2009050385A2/fr active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4443700A (en) * | 1980-02-01 | 1984-04-17 | Pedro B. Macedo | Optical sensing apparatus and method |
| US4530078A (en) * | 1982-06-11 | 1985-07-16 | Nicholas Lagakos | Microbending fiber optic acoustic sensor |
| GB2125572A (en) * | 1982-08-03 | 1984-03-07 | Standard Telephones Cables Ltd | Optical fibre sensors |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| LAGAKOS N ET AL: "FIBER OPTIC MICROBEND SENSOR", ISA TRANSACTIONS, INSTRUMENT SOCIETY OF AMERICA. PITTSBURGH, US, vol. 27, no. 1, 1 January 1988 (1988-01-01), pages 19 - 24, XP000034933, ISSN: 0019-0578 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108508594A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-09-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于压电陶瓷的高谐振频率光纤相位调制器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2921482B1 (fr) | 2009-11-13 |
| WO2009050385A3 (fr) | 2009-08-20 |
| WO2009050385A2 (fr) | 2009-04-23 |
| EP2198248A2 (fr) | 2010-06-23 |
| US20100303404A1 (en) | 2010-12-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pevec et al. | Multiparameter fiber-optic sensors: A review | |
| EP0713084B1 (fr) | Micro-système optique de type rosette de jauges de contraintes à guides diélectriques, pour la mesure d'une contrainte longitudinale en structure plane | |
| US7239778B2 (en) | Active in-fiber optic components powered by in-fiber light | |
| US6982996B1 (en) | Large diameter optical waveguide, grating, and laser | |
| US20090129721A1 (en) | Fiber optic gas sensor | |
| Zhang et al. | Microfiber Fabry–Perot interferometer for dual-parameter sensing | |
| Smith et al. | Surface-relief fiber Bragg gratings for sensing applications | |
| WO2006123068A1 (fr) | Procede et appareil pour la determination d’un allongement, et capteur d’extensometrie mis en oeuvre pour ce procede | |
| FR2921482A1 (fr) | Transducteur a fibre optique multimode et a couplage de modes, procede de realisation | |
| Niu et al. | Reflective intensity-demodulated refractometer based on S fiber taper | |
| CN112833928A (zh) | 级联宏弯曲和交替单模-多模光纤结构温度折射率传感器 | |
| May-Arrioja et al. | Fiber optic sensors based on multicore structures | |
| Cooper et al. | Integrated optical dual-cantilever arrays in silica on silicon | |
| Chen et al. | Refractive index sensors based on a chirped core long-period fiber grating | |
| Kumar et al. | Optimization of Performance of FBG using Various Apodization Function for Quasi-Distributed Sensors Network | |
| Bayuwati et al. | Investigation on the use of standard single mode fiber as a displacement sensor using 1050 nm LED light source | |
| Thews | Measurement of Temperature, Refractive Index, or Axial Acceleration with Etched PCF Microfiber Structure | |
| WO2024120735A1 (fr) | Dispositif de mesure d'une grandeur physique utilisant l'effet vernier optique | |
| WO2024121231A1 (fr) | Dispositif de mesure d'une grandeur physique | |
| Cibula et al. | In-line optical fiber-sensors based on low-loss semi-reflective in-fiber mirrors | |
| Liu et al. | Scheme of optical fiber temperature sensor employing deep-grooved process optimization | |
| dos Santos et al. | Tuning bimetallic Au@ Ag nanorods localized surface plasmon resonance on side-polished optical fiber sensing configurations at near-infrared wavelengths | |
| Pevec et al. | Multiparameter miniature fiber-optic sensor: design and signal interrogation | |
| Yan et al. | Optical RI sensor based on an in-fiber Bragg grating Fabry-Perot cavity embedded with a micro-channel | |
| Mohan et al. | Design and analyze the Refractive Index sensor having the discontinuity between sensing region and cladding area by large core diameter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| CA | Change of address | ||
| CJ | Change in legal form | ||
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20130531 |