WO2024120735A1 - Dispositif de mesure d'une grandeur physique utilisant l'effet vernier optique - Google Patents

Abstract

Ce dispositif comporte : - un premier réseau de Bragg (20) présentant un premier pas, - une unité électronique (40) configurée pour calculer une mesure de la variation de la grandeur physique à partir de l'enveloppe d'un spectre de puissance d'un signal modulé par effet Vernier. Ce signal modulé par effet Vernier correspondant à la superposition : - d'un signal mesuré résultant d'une interaction d'un signal optique émis avec le premier réseau de Bragg, et - d'un signal étalon correspondant à l'interaction du même signal optique émis avec un second réseau de Bragg dont le pas est différent du premier pas. Le premier pas est telle que le spectre de puissance du premier réseau de Bragg présente plusieurs harmoniques discernables d'ordre supérieur à cent à l'intérieur d'une plage de longueurs d'onde d'intérêt située entre 200 nm à 10000 nm.

Description

Dispositif de mesure d’une grandeur physique utilisant l’effet Vernier optique

[1] L’invention concerne un dispositif de mesure d’une grandeur physique utilisant l’effet Vernier optique ainsi qu’une fibre optique pour la réalisation de ce dispositif.

[2] Ces dispositifs sont, par exemple, utilisés pour mesurer une température ou une pression ou une déformation mécanique.

[3] De telles dispositifs de mesure ainsi que leurs principes de fonctionnement sont décrits dans l’article suivant : Yunhao Chen et Al : « Advanced Fiber Sensors Based on the Vernier Effect », Sensors 2022, 22, 2694 publié le 31 mars 2022. Par la suite, cet article est désigné par la référence « CHEN2022 ». Ainsi ces explications ne sont pas reprises dans ce texte.

[4] Ces dispositifs comportent un interféromètre étalon et un interféromètre de mesure. Pour que l’effet Vernier optique apparaisse, l’intervalle spectrale libre (« Free Spectral Range » en anglais) de l’interféromètre étalon est différent de l’intervalle spectrale libre de l’interféromètre de mesure. L’interféromètre de mesure est réalisé dans le cœur d’une fibre optique à un emplacement exposé aux variations de la grandeur physique à mesurer de sorte que son spectre de puissance varie en fonction des variations de cette grandeur physique. A l’inverse, le spectre de puissance de l’interféromètre étalon ne varie pas en réponse à une variation de la grandeur physique mesurée.

[5] Pour obtenir une sensibilité élevée, il faut que le spectre de puissance de chacun des interféromètres comporte une succession de pics très rapprochés et très fins dans une plage de longueurs d’ondes d’intérêt, par exemple, d’au moins 100 nm de largeur dans le domaine de l’optique. Le domaine de l’optique désigne la plage des longueurs d’onde habituellement utilisées en optique. Plus précisément, dans ce texte, le domaine de l’optique désigne la plage qui s’étend de 200 nm à 10000 nm et, fréquemment, de 200 nm à 5000 nm ou de 600 nm à 2000 nm. Dans ce texte, « très rapproché » signifie que l’écart entre deux pics consécutifs est inférieur ou égal à 10 nm. « très fins » signifie que la largeur à mi-hauteur de chaque pic est inférieure à 3 nm. De plus, les hauteurs de ces pics doivent être sensiblement les mêmes sur cette plage de longueurs d’ondes d’intérêt. Par la suite, une telle succession de pics est appelée « un peigne de pics » ou simplement « un peigne ».

[6] A ce jour, de nombreux modes de réalisation des interféromètres étalon et de mesure ont été proposés. Toutefois, les modes de réalisation qui sont simples à réaliser, notamment dans le cœur d’une fibre optique, ne permettent pas d’atteindre une sensibilité élevée. Par exemple, il a déjà été proposé d’utiliser, en tant qu’interféromètre, une cavité de Fabry Perot réalisée dans le cœur d’une fibre optique. La réalisation d’une telle cavité de Fabry Perot est assez simple. Toutefois, la sensibilité du dispositif de mesure obtenue est peu élevée notamment car les pics du spectre de puissance ne sont pas assez fins. Ceci s’explique notamment par le fait qu’il est très difficile de réaliser dans le cœur d’une fibre optique des dioptres à chaque extrémité de la cavité de Fabry Perot dont les réflectivités sont élevées. Pour contourner cette difficulté, il a été proposé d’utiliser des miroir raccordés aux extrémités de la fibre optique. De telles miroirs présentent une réflectivité élevée, c’est-à-dire supérieure à 90 %. Dans ces conditions, les pics du spectre de puissance sont fins et la sensibilité du dispositif de mesure est élevée. Toutefois, la fabrication des cavités de Fabry Perot est alors complexe notamment car il faut raccorder des miroirs aux extrémités d’une fibre optique.

[7] L’invention vise à proposer un dispositif de mesure d’une grandeur physique en utilisant l’effet Vernier optique qui présente une sensibilité élevée et qui soit, en même temps, simple à fabriquer.

[8] L’invention est exposée dans le jeu de revendications joint.

[9] L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :

- la figure 1 est une illustration schématique de l’architecture d’un premier dispositif de mesure utilisant l’effet Vernier optique,

- la figure 2 est une illustration schématique, partielle et en coupe longitudinale, d’un premier mode de réalisation d’une fibre optique du dispositif de mesure de la figure 1 ;

- la figure 3 est une illustration schématique, en coupe transversale, de la fibre optique de la figure 2 ; - la figure 4 est un graphe représentant une portion du spectre de puissance d’un réseau de Bragg de la fibre optique de la figure 2 ;

- la figure 5 est un organigramme d’un procédé de fabrication de la fibre optique de la figure 2;

- les figures 6 et 7 sont des graphes représentants les spectres de puissance en réflexion de différents signaux optiques générés lors du fonctionnement du dispositif de mesure de la figure 1 ;

- les figures 8 et 9 sont des illustrations schématiques d’un deuxième et d’un troisième modes de réalisation d’un dispositif de mesure utilisant l’effet Vernier optique,

- la figure 10 est une illustration schématique partielle, en coupe longitudinale, d’un deuxième mode de réalisation de la fibre optique de la figure 2 ;

- la figure 11 est une illustration schématique, en coupe transversale, d’un troisième mode de réalisation de la fibre optique de la figure 2, et

- la figure 12 est une illustration schématique partielle, en coupe longitudinale, de la fibre optique de la figure 11 .

[10] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l’homme du métier ne sont pas décrites en détails.

[11] Dans cette description des exemples détaillés de modes de réalisation sont d'abord décrits dans un chapitre I en référence aux figures. Ensuite, dans un chapitre II, des variantes de ces modes de réalisation sont introduits. Enfin, les avantages des différents modes de réalisation sont précisés dans un chapitre III.

[12] Chapitre I : Exemples de modes de réalisation

[13] La figure 1 représente un dispositif 2 de mesure d’une grandeur physique en utilisant l’effet Vernier optique. Ce premier mode de réalisation est décrit dans le cas particulier où la grandeur physique à mesurer est une contrainte mécanique en traction. A titre d’illustration, cette contrainte mécanique est exercée par un chariot 4 qui est tiré vers la gauche par une force F.

[14] Le dispositif 2 comporte un guide d’onde 4 dont une extrémité distale 6 est fixée, sans aucun degré de liberté, sur le chariot 4 pour empêcher que ce chariot 4 se déplace sous l’action de la force F. Le guide d’onde 4 comporte aussi une extrémité proximale raccordée à un analyseur spectral 10. [15] Le guide d’onde 4 est une fibre optique. Ainsi, par la suite, la même référence numérique est utilisée pour désigner cette fibre optique. La fibre optique 4 est une fibre optique monomode également connue sous l’acronyme SMF (« Simple Mode Fiber »).

[16] L’analyseur spectral 10 est capable d’établir la réponse spectrale de la fibre optique 4. Pour cela, il comporte une source optique, telle qu’une source laser 12, et un capteur optique 14.

[17] La source laser 12 est optiquement raccordée à l’extrémité 8 de la fibre optique 4. Elle émet un signal optique qui se propage dans le cœur de la fibre optique dans une direction D qui pointe vers l’extrémité 6. La longueur d’onde du signal optique émis par la source 12 est dans le domaine de l’optique. Par exemple, ici, la source 12 est une source laser à balayage qui émet un signal optique mono-fréquence à une longueur d’onde À_s qui varie au cours du temps pour balayer une plage prédéfinie de longueurs d’onde d’intérêt. Par exemple, par la suite, cette plage de longueur d’onde d’intérêt est la plage des longueurs d’onde comprises entre 1500 nm et 1600 nm.

[18] Le capteur 14 est lui-aussi optiquement raccordé à l’extrémité 8 de la fibre optique 4. Le capteur 14 mesure le signal optique rétro-diffusé par la fibre optique. Le signal optique rétro-diffusé se propage dans la fibre optique 4 en sens inverse de la direction D. Le capteur 14 présente une plage spectrale d’observation située dans le domaine optique et qui englobe la plage de longueurs d’onde d’intérêt.

[19] La fibre optique 4 est agencée pour que le signal optique rétro-diffusé soit représentatif de la contrainte exercée sur l’extrémité 6 par le chariot 4. De plus, dans ce premier mode de réalisation, pour accroître la sensibilité du dispositif 2, la fibre optique est agencée pour que le signal optique rétro-diffusé soit un signal optique modulé en amplitude par effet Vernier. Pour cela, la fibre optique 4 comporte deux réseaux 20 et 22 de Bragg réalisés dans la même fibre optique. Pour cela, les réseaux 20 et 22 sont réalisés l’un derrière l’autre dans le cœur de cette même fibre optique. Les réseaux 20 et 22 sont donc optiquement raccordés l’un à l’autre sans passer par l’intermédiaire d’un coupleur optique ou tout composant remplissant une fonction optique similaire. Les réseaux 20 et 22 sont des réseaux de Bragg d’ordre très élevé.

[20] Un réseau de Bragg d’ordre très élevé et son procédé de fabrication sont décrits dans l’article suivant : Pengtao Luo et Al : « Femtosecond laser plane-by-plane inscribed ultrahigh-order fiber Bragg grating and its application in multi-wavelength fiber lasers », Optic letter, 15/06/2022. Par la suite cet article est désigné par la référence « LU 02022 ».

[21] Dans ce texte, « ordre très élevé » désigne le fait que le spectre de puissance en réflexion du réseau de Bragg présente des harmoniques discernables d’ordre supérieur à N dans le domaine de l’optique, où N est un nombre entier supérieur à 100 et, de préférence, supérieur à 500 ou 1000. Autrement dit, dans le spectre de puissance en réflexion d’un réseau de Bragg d’ordre très élevé, il existe des harmoniques d’ordre k, supérieur à N, qui correspondent chacune à un pic de puissance distinct des pics correspondants aux harmoniques d’ordres k-1 et k+1 . Ce pic d’ordre k est également supérieur au bruit. Ce pic d’ordre k est situé à la longueur d’onde À_k définie par la relation (1 ) suivante : À_k = 2*n_e*A/k, où :

- k est un nombre entier égal à l’ordre de l’harmonique,

- n_e est l’indice effectif de la fibre optique,

- A est le pas du réseau de Bragg, et

- le symbole « * » désigne l’opération de multiplication scalaire dans ce texte.

[22] Ce pic d’ordre k est dans le domaine de l’optique.

[23] Le spectre de puissance en réflexion est le spectre de puissance du signal optique réfléchi par le réseau de Bragg. Dans ce texte, à défaut d’indication contraire, le terme « spectre de puissance » désigne le spectre de puissance en réflexion.

[24] Un pic dans le spectre de puissance en réflexion correspond à une raie d’absorption dans le spectre de puissance en transmission du même réseau de Bragg.

[25] Le spectre de puissance d’un réseau de Bragg d’ordre très élevé comporte une succession de pics très rapprochés et très fins dans une plage de longueur d’onde d’intérêt d’au moins 100 nm de largeur dans le domaine de l’optique. De plus, les hauteurs de ces pics sont sensiblement les mêmes sur cette plage d’au moins 100 nm de largeur car chacun de ces pics correspond à un harmonique d’ordre très élevé. Autrement dit, le spectre de puissance d’un réseau de Bragg d’ordre très élevé est un peigne de pics tels que défini dans l’introduction de ce texte. Un exemple d’un tel peigne est représenté sur la figure 3 de l’article LUO2022.

[26] Il est souligné qu’un réseau de Bragg d’ordre très élevé se distingue des réseaux de Bragg standards couramment utilisés dans le domaine de l’optique par plusieurs caractéristiques. Dans les réseaux de Bragg standards, le pas du réseau de Bragg standard est choisi pour : - que longueur d’onde À_B de la fréquence fondamentale f_B de résonance du réseau de Bragg soit dans le domaine de l’optique, ou

- que seules les premiers harmoniques d’ordre inférieur à vingt soit dans le domaine de l’optique.

[27] Ainsi, le pas de ces réseaux de Bragg standards sont systématiquement inférieurs à 50 pm ou 20 pm et, généralement, même inférieur à 10 pm. Dans ces conditions, le réseau de Bragg standard ne peut pas être un réseau de Bragg d’ordre très élevé. En effet, dans ce cas, même si des harmoniques d’ordre k supérieur à cent sont discernables dans son spectre de puissance, la longueur d’onde À_k de ces harmoniques n’est pas dans le domaine de l’optique. Autrement dit, les longueurs d’onde À_k des harmoniques d’ordre k supérieur à cent, sont toutes inférieures à 200 nm. A l’inverse, le pas d’un réseau de Bragg d’ordre très élevé est supérieur à 20 pm ou 50 pm et, souvent supérieure à 100 pm. Dans ces conditions, la longueur d’onde À_B de la fréquence fondamentale f_B de résonance du réseau de Bragg d’ordre très élevé et les longueurs d’onde de ses harmoniques d’ordre inférieur à cent, ne sont pas dans le domaine de l’optique.

[28] Les motifs des réseaux de Bragg standards sont couramment fabriqués en utilisant des impulsions de rayonnement ultraviolet ou des lasers à CO₂ et non pas des impulsions d’un laser femtoseconde. Les réseaux de Bragg fabriqués sans utiliser d’impulsions d’un laser femtoseconde présentent seulement des harmoniques discernables d’ordre inférieur à vingt. Il semble que cela provient du fait que les variations de l’indice de réfraction dans la fibre optique obtenues en mettant en œuvre ces autres procédés connus sont beaucoup moins franches que celles obtenues à l’aide d’un laser femtoseconde. Ainsi, un réseau de Bragg fabriqué sans utiliser d’impulsions d’un laser femtoseconde, même s’il présente un pas supérieur à 20 pm ou à 50 pm, n’est pas un réseau de Bragg d’ordre très élevé.

[29] Il est aussi souligné qu’un réseau de Bragg ne doit pas être confondu avec une juxtaposition, le long d’une fibre optique, de cavités de Fabry-Perrot. En effet, les caractéristiques spectrales d’une fibre optique comportant une telle juxtaposition de cavités de Fabry-Perrot dépendent des longueurs de chaque cavité de Fabry-Perrot ainsi que de la réflectivité des dioptres situés à chaque extrémité de chaque cavité de Fabry-Perrot. Contrairement à un réseau de Bragg, les dioptres ne sont pas espacés les uns des autres d’un pas constant pour former une structure périodique. [30] Les réseaux de Bragg sont également fréquemment utilisés, dans le domaine des sources laser, pour former les dioptres d’extrémité d’une cavité de Fabry Perot de cette source laser. Dans ce cas, la réponse spectrale de cette cavité est principalement déterminée par la longueur de la cavité et non pas par les caractéristiques spectrales des réseaux de Bragg utilisés. Plus précisément, comme enseigné dans l’article LUO2022, la caractéristique spectrale des réseaux de Bragg est alors utilisée pour ajuster la ou les longueurs d’onde de la source laser. Cet usage des réseaux de Bragg est éloigné du domaine de la mesure d’une grandeur physique. En particulier, cet usage n’enseigne pas qu’une cavité de Fabry Perot peut avantageusement être remplacée par un seul réseau de Bragg d’ordre très élevé.

[31 ] Le spectre de puissance d’un réseau de Bragg se déplace en fonction de la température, de l’allongement longitudinal de la fibre optique et de la pression hydrostatique. Pour obtenir un signal modulé par effet Vernier sensible à la force F, le réseau 20 est exposé à la force F et, plus précisément, soumis à la contrainte mécanique en traction exercée par cette force F sur l’extrémité 6. Par la suite, le réseau de Bragg qui est sensible à la grandeur physique à mesurer est appelé « réseau de mesure ». A l’inverse, le réseau 22 n’est pas ou est moins sensible à la grandeur physique à mesurer. Le réseau de Bragg qui est moins sensible à la grandeur physique à mesurer est appelé « réseau étalon ». Ici, un réseau de Bragg « sensible » à une grandeur physique désigne le fait que le spectre de puissance de ce réseau se décale lorsque la grandeur physique varie.

[32] Dans ce premier mode de réalisation, pour rendre le réseau 22 moins sensible à la contrainte en traction exercée par la force F, il est isolé, par une structure isolante 30, des effets de la force F. Pour cela, dans cet exemple, la structure 30 comporte un bras rigide 32 attaché, sans aucun degré de liberté, au niveau d’un point d’attache 34 à un segment 36 de la fibre optique. Le segment 36 est situé entre les réseaux 20 et 22. Le bras 32 est fixe et immobile par rapport à la portion 40 de la fibre optique 4 qui s’étend du point 34 d’attache jusqu’à son extrémité 8. Le bras 32 est suffisamment rigide pour que la portion 40 ne soit pas soumise à la force F de traction.

[33] Pour qu’un effet Vernier apparaisse, l’intervalle spectrale libre, noté ISL22, du réseau 22 est différent de l’intervalle spectrale libre, noté ISL20, du réseau 20. Pour cela, le pas A22 du réseau 22 est différent du pas A20 du réseau 20 en absence de toute sollicitation extérieure et donc en absence de la force F. [34] Le facteur M d’amplification de l’effet Vernier optique est défini par la relation suivante : M = ISL₂2/(ISL22-ISL₂o). Plus ce facteur d’amplification est grand, plus la sensibilité du dispositif 2 est grande. Pour obtenir un facteur M élevé, c’est-à-dire supérieur à quatre et, de préférence, supérieur à dix ou vingt, les intervalles ISL₂o et ISL22 doivent être proches et donc les pas A20 et A22 doivent aussi être proches l’un de l’autre. Ici, l’écart (ISL22-ISL20) en valeur absolue est donc inférieur à ISL22 et, de préférence, inférieur à ISL22/I O ou ISL22/2O. Pour cela, typiquement, le pas A22 est compris entre O,95A₂o et 1 ,O5A₂o ou entre O,98A₂o et 1 ,O2A₂o.

[35] Pour que le signal rétro-diffusé modulé par effet Vernier optique varie seulement en fonction de la contrainte mécanique exercée par la force F, les réseaux 20 et 22 travaillent dans les mêmes conditions de température et de pression. Pour cela, ici, les réseaux 20 et 22 sont situés proches l’un de l’autre, c’est-à-dire que la longueur du segment 36 est petite. Ici, la longueur du segment 36 est inférieure à 10 cm et, de préférence, inférieure à 1 cm ou 5 mm.

[36] Le dispositif 2 comprend également une unité électronique 40 de traitement configurée pour déterminer une variation de la grandeur physique mesurée à partir du signal rétro-diffusé mesuré par le capteur 14. Dans ce premier mode de réalisation, le signal rétro-diffusé est modulé par effet Vernier optique. Dans ces conditions, l’unité 40 est programmée pour extraire l’enveloppe du signal rétro-diffusé dans la plage de longueur d’onde d’intérêt et en déduire la position d’un sommet de cette enveloppe par rapport à une position de référence. Typiquement, la position de référence est la position de ce sommet en absence de la force F. Dans ces conditions, l’écart entre la position déduite et la position de référence est représentatif de la variation AC de la contrainte en traction exercée sur l’extrémité 6 par rapport au cas où la force F est nulle. L’unité 40 détermine ensuite une valeur mesurée de la contrainte en traction. Pour cela, une valeur initiale de la contrainte en traction en absence de la force F est pré-enregistrée dans l’unité 40. La sensibilité S_c du réseau 20 aux variations de cette contrainte est également pré-enregistrée dans l’unité 40. Cette valeur initiale et la sensibilité S_c sont typiquement déterminées lors d’une phase de calibration du dispositif 2.

[37] Dans ce texte, la sensibilité S_G d’un réseau de Bragg aux variations AG de la grandeur physique à mesurer est définie par la relation suivante AÀ_B/À_B = S_G*AG, OÙ :

- À_B est la longueur d’onde fondamentale du réseau 20, - AÀ_B est la variation de la longueur d’onde fondamentale du réseau 20 obtenue en réponse à la variation AG.

Ainsi, la sensibilité S_c est définie par la relation suivante : AÀ_B/À_B = S_c*AC.

[38] Pour réaliser ces opérations, l’unité 40 comporte un microprocesseur programmable 42 et une mémoire 44 contenant les données et les instructions nécessaires au fonctionnement de l’unité 40. Habituellement, l’unité 40 comporte aussi une interface homme-machine 46 pour communiquer le résultat des mesures réalisées à un être humain.

[39] La figure 2 représente plus en détail une mode de réalisation du réseau 20. La fibre optique 4 s’étend le long d’un axe longitudinal 58 parallèle à une direction Z d’un repère orthogonal XYZ. Les figures 2 et 3 sont orientées par rapport à ce repère XYZ. Par exemple, la direction Z est horizontale et la direction Y est verticale.

[40] Pour simplifier la figure 2, seule la portion de la fibre optique 4 qui contient le réseau 20 est représentée. La fibre optique 4 guide le signal optique le long de l’axe longitudinal 58.

[41 ] La fibre optique 4 comporte :

- un cœur 60 dans lequel se propage le signal optique guidé par cette fibre 4,

- une gaine optique 62 réalisée dans un matériau dont l’indice de réfraction permet de maintenir le signal optique à l’intérieur du cœur 60 par réflexion au niveau de l’interface entre le cœur 60 et cette gaine 62, et

- une gaine mécanique, typiquement en polymère, et qui recouvre la gaine 62.

Pour simplifier la figure 2, la gaine mécanique de la fibre optique 4 n’a pas été représentée.

[42] Le réseau 20 est conçu pour obtenir un peigne de pics sur la plage de longueurs d’onde d’intérêt centrée sur une longueur d’onde À_c et dont la largeur est supérieure à 100 nm. Ici, la longueur d’onde À_c est égale à 1550 nm.

[43] De plus, le réseau 20 est conçu pour que ce peigne soit formé par les harmoniques du réseau 20 d’ordre proche de 1024.

[44] A cet effet, le réseau 20 est composé d’une succession de motifs Mi disposés les uns derrière les autres le long de l’axe 58. L’indice i est le numéro d’ordre du motif dans la direction Z. L’indice i du premier motif le plus à gauche dans le réseau 20 est égal à 1 et l’indice i du dernier motif le plus à droite dans le réseau 20 est égal à p. p est égal au nombre de motifs Mj du réseau 20. Sur la figure 2, seuls les deux premiers et les deux derniers motifs du réseau 20 ont été représentés. La présence des motifs intermédiaires situés entre les motifs M₂ et M_p.i est représentée par des petits cercles sur l’axe 58.

[45] Le nombre p de motifs est supérieur ou égal à trois et, de préférence, supérieur ou égal à dix. En effet, il a été observé que plus le nombre p est grand, plus la largeur à mi-hauteur de chaque pic décroît. Ici, le nombre p est aussi choisi suffisamment petit pour que la longueur du réseau 20 reste petite, c’est-à-dire inférieure à 1 mètre et, de préférence, inférieure à 10 cm. La longueur du réseau 20 est égale à la distance entre les motifs Mi et M_p mesurée le long de l’axe 58. Typiquement, le nombre p est inférieur à 200 ou 100.

[46] Le pas A₂₀ entre deux motifs Mi et M_i+i immédiatement consécutifs dans la direction Z est constant quel que soit l’indice i. Le pas A₂₀ est donc égal à la distance, le long de l’axe 58, qui sépare deux motifs Mi et M_{i +i} immédiatement consécutifs.

[47] Ici, le pas A₂₀ est calculé pour que l’ordre k_c de l’harmonique la plus proche de la longueur d’onde À_c soit égal à 1024.

[48] Pour cela, le pas A₂₀ est compris entre 0,9*[k_c*Àc/(2*n_e)] et 1 , 1 *[k_c*Àc/(2*n_e)] et, de préférence, compris entre 0,98*[k_c*Àc/(2*n_e)] et 1 ,02*[k_c*Àc/(2*n_e)], où n_e est l’indice effectif de la fibre optique 4.

[49] L'indice effectif n_e de propagation est aussi connu sous le nom de « constante de phase du mode ». Il est défini par la relation suivante : n_g = n_e - Àdn_e/dÀ, où n_g est l'indice de groupe et À est la longueur d'onde du signal optique guidé par la fibre optique 4. L'indice effectif de propagation d’une fibre optique dépend des dimensions du cœur de cette fibre optique et des matériaux formant ce cœur et la gaine optique de cette fibre optique. Il peut être déterminé expérimentalement ou par simulation numérique.

[50] Ici, la fibre optique 4 est réalisée à partir d’une fibre optique commercialisée sous la référence SMF-28 par la société Corning®. L’indice n_e de cette fibre optique est égal à environ 1 ,4676. Dans ces conditions, le terme k_c*Àc/(2*n_e) est égal à approximativement 540,8 pm. Ici, le pas A₂₀ est choisi égal à 540,8 pm. Avec le choix de cette valeur pour le pas A₂₀, seuls les harmoniques d’ordre compris entre 317 et 7936 sont dans le domaine de l’optique. En particulier, la longueur d’onde À_B de la fréquence fondamentale du réseau 20 n’est pas dans le domaine de l’optique. [51 ] Pour cette valeur du pas A₂o et pour que la longueur L₂o du réseau 20 soit inférieure à 10 cm, le nombre p de motifs est choisi inférieur à 185. Ici, p est choisi égal à 120, de sorte que la longueur L₂₀ du réseau 20 est approximativement égale à 65 mm.

[52] Les motifs Mi sont tous structurellement identiques les uns aux autres et diffèrent les uns des autres seulement par leur position le long de l’axe 58. Ainsi, par la suite, seul le motif Mi est décrit en détail. Ce motif Mi s’étend principalement dans un plan Pi perpendiculaire à l’axe 58. Ce plan Pi est donc parallèle aux directions X et Y. Sur la figure 2, seuls les plans Pi, P₂, P_p.i et P_p dans lesquels s’étendent respectivement, les motifs Mi, M₂, M_p.i et M_p sont représentés.

[53] La figure 3 représente plus en détail un exemple de réalisation du motif Mi. Sur la figure 3, seule la section transversale du cœur 60 est représentée.

[54] Chaque motif Mi réfléchit une partie du signal optique incident. Une autre partie du signal optique incident traverse le motif Mi. Enfin, chaque motif Mi diffuse une partie de l’énergie du signal optique incident qui n’est alors ni réfléchie ni transmise à travers ce motif Mi. Cette énergie diffusée par chaque motif Mi crée des pertes d’insertion causées par la présence du réseau 20 dans le cœur 60 de la fibre optique 4. Pour minimiser ces pertes d’insertion, ici, la surface S_Mi de la section transversale du motif Mi occupe moins de la moitié de la surface S₆o de la section transversale du cœur 60. La surface S_Mi est égale à la surface de la projection orthogonale du motif Mi sur le plan Pi. La surface S₆o est égale à la surface de la section transversale du cœur 60. Typiquement, la surface S₆o est constante le long de toute la longueur de la fibre optique 4.

[55] De préférence, la surface S_Mi est inférieure à O,1 *S₆o ou à O,O5*S₆o ou à 0,01 *S₆o. Ici, la surface Sliest inférieure à O,O5*S₆o.

[56] Pour obtenir une réflectivité suffisante du motif Mi pour limiter le nombre p de motifs et donc pour limiter la longueur L₂₀ du réseau 20, la surface S_Mi est supérieure à 0,016 pm², c’est-à-dire supérieure à deux fois la surface de la projection orthogonale d’une bulle sphérique de 100 nm de diamètre sur le plan Pi. Dans ce mode de réalisation, la surface S_Mi est supérieure ou égale à 0,032 pm².

[57] A cette fin, le motif Mi est constitué de plusieurs bulles B,. L’indice j est un identifiant qui permet d’identifier de façon unique la bulle B, parmi l’ensemble des autres bulles du même motif Mi. L’indice j est ici un nombre entier compris entre 1 et q, où q est égal au nombre de bulles B, du motif Mi. Le nombre q est supérieur ou égal à deux ou quatre. Ici, le nombre q est égal à six.

[58] Dans ce mode de réalisation, toutes les bulles Bj sont structurellement identiques les unes aux autres. Seules leurs positions dans le plan Pi permet de les distinguer les unes des autres.

[59] Chaque bulle Bj crée une variation importante de l’indice de réfraction du cœur 60 dans la direction de propagation du signal optique. Pour cela, l’écart entre l’indice nrso de réfraction du cœur 60 et l’indice n_rB de réfraction de la bulle Bj est supérieur à 0,3 ou à 0,4. Ici, l’intérieur de chaque bulle est vide ou pratiquement vide ce qui correspond à un écart entre les indices n_reo et n_rB supérieur ou égal à 0,4.

[60] De plus, pour que la variation d’indice de réfraction soit brusque, le diamètre Dj de chaque bulle Bj est inférieur à 200 nm et, de préférence, inférieur à 100 nm. Généralement, le diamètre Dj est également supérieur à 10 nm ou 50 nm.

[61 ] Chaque bulle Bj est principalement sphérique. Ainsi, le diamètre Dj de la bulle Bj est égal au diamètre de la sphère de plus petit volume qui contient entièrement la bulle Bj. Ici, ce diamètre Djest inférieur à 100 nm.

[62] Le centre de chaque bulle Bj est contenu dans le plan Pi.

[63] Dans ce mode de réalisation, les bulles Bj sont disjointes, c’est-à-dire qu’elles ne se chevauchent pas et qu’elles ne sont pas fluidiquement raccordées les unes aux autres.

[64] Le motif Mi est centré sur l’axe 58. Pour cela, les bulles Bj sont disposées les unes à côté des autres de manière à ce que le barycentre du motif Mi soit situé à moins de 100 nm de l’axe 58 et le centre d’au moins une des bulles Bj est situé à moins de 100 nm de l’axe 58.

[65] Dans ce premier mode de réalisation, le barycentre du motif Mi est situé sur l’axe 58. De plus, le motif Mi est symétrique par rapport à l’axe 58.

[66] Les centres des bulles Bj sont situés les uns derrière les autres sur un axe Ai qui coupe l’axe 58 et qui appartient au plan Pi. Le motif Mi comporte donc une ligne de bulles disjointes. Dans ce cas, l’agencement des bulles disjointes forme ce qui est appelé un « trait pointillé » dans ce texte. Ici, l’axe Ai est parallèle à la direction Y. Dans ce mode de réalisation, les bulles B₃ et B₄ sont situées, respectivement, au-dessus et au-dessous de l’axe 58. Les centres des bulles B₃ et B₄ sont à moins de 100 nm de l’axe 58. [67] La distance entre deux bulles B_j; B_j+i immédiatement consécutives le long de l’axe A est constante. Autrement dit, quelle que soit la paire de bulle Bj, B_j+i immédiatement consécutives le long de l’axe Ai, la distance qui sépare les centres de ces deux bulles est la même.

[68] La figure 4 représente le spectre de puissance de la fibre optique 4 entre 1545 nm et 1555 nm. La réflectivité des pics du peigne obtenu atteint -21 dBm.

[69] La figure 5 représente un procédé de fabrication de la fibre optique 4. Ce procédé débute par une étape 70 de fourniture d’une fibre optique dont le cœur 60 est initialement dépourvu de réseau de Bragg. Par exemple, la fibre optique fournie est la fibre optique commercialisée sous la référence SMF-28 par la société Corning®.

[70] Ici, la gaine mécanique de cette fibre optique est transparente aux impulsions d’un laser femtoseconde de sorte qu’il n’est pas nécessaire de retirer cette gaine mécanique aux emplacements où doivent être réalisés les motifs Mi.

[71] Ensuite, lors d’une étape 72, le réseau 20 est fabriqué dans le cœur 60. Pour cela, une opération 74 de formation du motif Mj dans le cœur 60 de la fibre optique fournie est réitérée à chaque emplacement où un tel motif Mj doit être formé.

[72] Lors de l’opération 74, chaque bulle Bj est créée par une seule impulsion du laser femtoseconde. Plus précisément, lors de l’opération 74, le faisceau du laser femtoseconde est focalisé sur le centre de la bulle Bj à créer puis une impulsion d’une durée inférieure à 500 fs ou à 250 fs est émise et irradie le point du cœur 60 où doit se situer le centre de la bulle Bj. La bulle Bj est alors créée dans le cœur 60. Ensuite, la fibre optique est déplacée par rapport au laser femtoseconde pour que le faisceau du laser femtoseconde soit maintenant focalisé sur le centre de la prochaine bulle B_j+i à créer, puis une nouvelle impulsion du laser femtoseconde est émise.

[73] Dans ce mode de réalisation, les bulles Bj sont donc créées les unes après les autres.

[74] Les valeurs des différents paramètres d’un laser femtoseconde pour créer une bulle telle que la bulle Bj dépendent des caractéristiques de la fibre optique fournie ainsi que des caractéristiques du laser femtoseconde utilisé. Le réglage de ces différents paramètres pour créer les bulles Bj précédemment caractérisées, fait parti des compétences de l’homme du métier. Par exemple, à titre d’illustration, le lecteur peut consulter à ce sujet la demande CN211603608U qui décrit en détail un exemple d’installation permettant de former des bulles telles que les bulles Bj dans le cœur d’une fibre optique. Ici, les paramètres suivants ont été utilisés pour fabriquer la fibre optique 4 :

- la longueur d’onde centrale de l’impulsion du laser femtoseconde est égale à 512 nm,

- la durée de chaque impulsion du laser femtoseconde est égale à 160 fs, et

- la puissance de chaque impulsion du laser femtoseconde est égale à 45 nJ.

[75] Une fois le réseau 20 fabriqué, le procédé se poursuit par une étape 76 de fabrication du réseau 22 dans le cœur 60 de la fibre optique 4. L’étape 76 est identique à l’étape 72 sauf que le pas A22 du réseau 22 est différent du pas A20 du réseau 20. Par exemple, le pas A22 est déterminé en appliquant l’enseignement ci-dessus dans le cas particulier où l’ordre k_c de l’harmonique la plus proche de la longueur d’onde À_c est choisi égal à 1117.

[76] Les figures 6 et 7 illustrent le fonctionnement du dispositif 2. Dans chacune de ces figures, le graphe du haut représente le spectre de puissance du réseau 22 et le graphe du milieu représente le spectre de puissance du réseau 20. Le graphe du bas dans les figures 6 et 7 représente le spectre de puissance du signal modulé par effet Vernier optique mesuré par le capteur 14. Pour chacun de ces graphes, l’axe des abscisses est gradué en nanomètres. L’axe des ordonnées représente la puissance du signal rétro-diffusé. Il est gradué dans une unité arbitraire ua. Sur chacun de ces graphes, le trait vertical en pointillé marque la position de la longueur d’onde À_c. Les graphes de la figure 6 représentent les spectres de puissance en absence de la force F. Les graphes de la figure 7 représentent les spectres de puissance en présence d’une force F non-nulle. Comme visible en comparant les graphes du milieu, la présence de la force F décale le spectre de puissance du réseau 20 vers la droite. Ce décalage se traduit par un décalage du sommet de l’enveloppe du spectre de puissance du signal rétro-diffusé. Le décalage du sommet de l’enveloppe est amplifié par le facteur M par rapport au décalage observable uniquement sur le spectre de puissance du réseau 20. Ici, le facteur M est égal à douze.

[77] La figure 8 représente un dispositif 90 de mesure d’une contrainte en traction. Le dispositif 90 est structurellement identique au dispositif 2 sauf que la fibre optique 4 est remplacée par une fibre optique 94. La fibre optique 94 est identique à la fibre optique 4 sauf que le réseau 22 est omis. Dans ces conditions, le signal rétro-diffusé correspond seulement à l’interaction du signal optique émis par la source 12 avec le réseau 20. [78] Dans ce mode de réalisation, l’unité 40 est configurée pour obtenir le signal modulé par effet Vernier à partir du signal rétro-diffusé mesuré par le capteur 14 et d’un enregistrement numérique 96 d’un signal étalon contenu dans la mémoire 44. Le signal étalon est le même que celui qui est rétro-diffusé par le réseau 22 en absence du réseau 20 lorsqu’il interagit avec le signal optique émis par la source 12. L’enregistrement numérique de ce signal étalon peut être obtenue par simulation numérique ou en mesurant le signal rétro-diffusé par le seul réseau 22 en absence du réseau 20.

[79] Ensuite, le signal rétro-diffusé par le réseau 20 et mesuré par le capteur 14 et l’enregistrement numérique 96 sont combinés numériquement pour obtenir le signal optique modulé par effet Vernier. Ainsi, dans ce mode de réalisation, l’effet Vernier optique est simulé par calcul. La simulation d’un effet Vernier par calcul est décrite dans l’article suivant : Chen ZHU et Al : "High-sensitivity optical fiber sensing based on a computational and distributed Vernier effect," Opt. Express 30, 37566-37578 (2022). Par la suite, cet article est désigné par la référence « ZHU2022 ». Plus précisément, dans cet article, la simulation d’un effet Vernier est décrite dans le cas particulier où l’interféromètre de mesure est une cavité de Fabry-Perot. Toutefois, l’enseignement donné dans cet article peut être directement appliqué au cas où l’interféromètre de mesure est le réseau 20. En effet, les principes sont les mêmes. Ainsi, les différents calculs implémentés dans l’unité 40 pour simuler numériquement l’effet Vernier ne sont pas décrits ici plus en détail. Le reste du fonctionnement du dispositif 90 est identique au fonctionnement du dispositif 2.

[80] La figure 9 représente un dispositif 100 de mesure multi-points de contrainte en traction. Le dispositif 100 est structurellement identique au dispositif 90 sauf que la fibre optique 94 est remplacée par une fibre optique 104. La fibre optique 104 est identique à la fibre optique 94 sauf qu’elle comporte N réseaux de Bragg 201 à 20_N situés les uns après les autres le long de l’axe longitudinal de la fibre 104. Chacun des réseaux 20j est situé à un emplacement où une contrainte en traction doit être mesurée, où l’indice i est le numéro d’ordre du réseau dans la direction D. Le nombre N de réseaux 20i est supérieur à deux et, par exemple, supérieur à quatre ou dix. Chaque réseau 20 i est séparé du réseau 20_i+i immédiatement consécutif par une segment 36j de la fibre 104 dépourvu de réseau de Bragg. [81] Dans ce mode de réalisation, une contrainte en traction est exercée directement sur chaque segment 36j par un chariot respectif 4-, qui est tiré par une force Fj dans la direction D.

[82] Chaque réseau 20j est un réseau de Bragg d’ordre très élevé présentant un pas Ai et un intervalle spectrale libre ISL dans la plage des longueurs d’onde d’intérêt. Le pas Ai du réseau 20j est différent du pas de tous les autres réseaux de Bragg réalisés dans la fibre optique 104. Par exemple, ici, le réseau 20j est identique au réseau 20 sauf que son pas Ai est différent.

[83] Dans ces conditions, le signal rétro-diffusé correspond à la superposition des signaux retro-diffusés par chacun des réseaux 20j.

[84] Une copie numérique 106j d’un signal étalon est pré-enregistré pour chaque réseau 20j. Pour chaque réseau 20., l’unité 40 est configurée pour obtenir le signal modulé par effet Vernier optique correspondant à ce réseau 20j à partir du signal retro- diffusé mesuré par le capteur 14 et à partir de la copie numérique 106i. Pour cela, il est procédé comme décrit dans l’article ZHU2022. En effet, cet article décrit les calculs à mettre en œuvre pour obtenir le signal modulé par effet Vernier optique par simulation numérique dans le cas où la fibre optique comporte plusieurs interféromètres de mesure répartis sur toute sa longueur.

[85] Dans les modes de réalisation précédents, le spectre de puissance du réseau de mesure se décale en réponse à une déformation longitudinale. Il est également connu que le spectre de puissance se décale lorsque le réseau de mesure est exposé à une variation de température et/ou une variation de la pression hydrostatique. Toutefois, il est aussi possible de rendre le réseau de mesure sensible à une variation d’une autre grandeur physique tandis que le réseau étalon est moins sensible aux variations de cette autre grandeur physique. Dans ce cas, la structure isolante peut être omise. A titre d’illustration, la figure 10 représente une portion d’une fibre optique 120 susceptible d’être utilisée pour mesurer une dose d’un rayonnement neutronique ou d’un rayonnement ionisant tel qu’un rayonnement gamma.

[86] La fibre optique 120 est identique à la fibre optique 4 sauf que le réseau 20 est remplacé par une réseau 122 de mesure plus sensible à une dose du rayonnement à mesurer que le réseau 22. Pour cela, le cœur 60 est réalisé dans un matériau photosensible. Ici, le cœur 60 est réalisé en germanosilicate. Initialement, le réseau 20 est fabriqué dans le cœur 60 comme décrit précédemment. Ensuite, le réseau 20 est transformé en un réseau 122 plus sensible à une dose du rayonnement à mesurer. Pour cela, seul le réseau 20 fabriqué est exposé à un rayonnement ultraviolet pour créer des centres colorés issus de la recombinaison des liaisons entre le germanium et la silice. Lorsqu’ils sont soumis à une dose du rayonnement à mesurer, ces centres colorés sont modifiés, conduisant à un décalage de la longueur d’onde À_B du réseau 122. Ainsi, le réseau 122 est sensible à une dose du rayonnement à mesurer alors que le réseau 22 ne l’est pas ou l’est moins. Plus précisément, lorsque les deux réseaux 22 et 122 sont exposés à la même dose du rayonnement à mesurer, le spectre de puissance du réseau 122 se décale beaucoup plus que le spectre de puissance du réseau 22. L’amplitude de l’écart entre le décalage du réseau 122 et le décalage du réseau 22 est mesuré par l’unité 40 en utilisant l’effet Vernier optique. L’amplitude de cet écart mesuré est proportionnelle à la dose du rayonnement à mesurer multipliée par la différence entre la sensibilité Sdi₂₂ du réseau 122 et la sensibilité Sd₂₂ du réseau 22. La sensibilité Sd d’un réseau de Bragg à une dose de rayonnement est définie par la relation suivante : AÀ_B/À_B = Sd*D, où D est la dose de rayonnement. Typiquement, la sensibilité Sd₂₂ est inférieure à 0,9Sdi₂₂ ou à 0,5Sdi₂₂.

[87] Cette différence de sensibilités est, par exemple, déterminée expérimentalement puis enregistrée dans la mémoire 44. L’unité 40 est alors capable de calculer la dose du rayonnement mesuré à partir de l’amplitude de l’écart mesuré.

[88] Dans ce mode de réalisation, la structure isolante 32 est omise. Ainsi, les réseaux 22 et 122 sont exposés aux mêmes variations de température, aux mêmes déformations longitudinales et aux mêmes variations de la pression hydrostatique. Puisque les réseaux 22 et 122 présentent les mêmes sensibilités à ces variations de température, de pression hydrostatique et à la déformation longitudinale, en réponse à ces variations, les décalages des spectres de puissance des réseaux 22 et 122 sont les mêmes. Par conséquent, le décalage du sommet de l’enveloppe du signal modulé par effet Vernier est très faible et peut être négligé devant le décalage de ce sommet produit par une dose du rayonnement à mesurer.

[89] Les figures 11 et 12 représentent une fibre optique 130 susceptible de remplacer la fibre optique 4. Dans ce mode de réalisation, le même réseau de Bragg d’ordre très élevé est utilisé pour remplir à la fois les fonctions de réseau de mesure et de réseau étalon. [90] Pour cela, la fibre optique 130 est une fibre optique biréfringente présentant un indice n₀ de réfraction ordinaire pour des ondes se propageant dans le cœur avec une polarisation rectiligne parallèle à une direction de polarisation ordinaire et un indice n_e de réfraction extraordinaire pour les ondes se propageant dans le cœur avec une polarisation rectiligne parallèle à une direction de polarisation extraordinaire. La direction de polarisation extraordinaire est différente de la direction de polarisation ordinaire. Ici, les directions de polarisation ordinaire et extraordinaire sont orthogonales.

[91] Dans ce mode de réalisation, la fibre optique 130 est identique à la fibre optique 4 sauf que :

- elle comporte en plus un élément 132 de maintien de la polarisation, et

- le réseau 22 est omis.

[92] Cet élément 132 est ici situé dans la gaine 62. Ici, l’élément 132 est agencé et conçu pour exercer une contrainte mécanique asymétrique sur le cœur 60. Par exemple, l’élément 132 est l’élément de maintien de la polarisation rencontré dans les fibres optiques connues sous le nom de « fibre optique PANDA » ou simplement de « fibre PANDA ». Dans ce cas, l’élément 132 comporte deux cylindres longitudinaux en verre dopé au bore positionnés dans la gaine 62 est situés sur des côtés opposés du cœur 60.

[93] Seul le réseau 20 est réalisé dans le cœur 60 de la fibre 130. Dans ce cas, lorsque le signal optique qui se propage dans le cœur 60 est linéairement polarisé seulement selon la direction de polarisation ordinaire, le spectre de puissance du signal rétro-diffusé par le réseau 20 présente un intervalle spectrale libre ISL₀. Lorsque le signal optique qui se propage dans le cœur 60 est linéairement polarisé seulement selon la direction de polarisation extraordinaire, le spectre de puissance du signal rétro- diffusé par le réseau 20 présente un intervalle spectrale libre ISL_e. L’intervalle ISL_e est différent de l’intervalle ISL₀.

[94] La sensibilité de l’indice n₀ aux variations de la grandeur physique à mesurer est différente de la sensibilité de l’indice n_e aux variations de la grandeur physique à mesurer. Ainsi, la sensibilité ordinaire S_o du réseau 20 aux variations de la grandeur physique à mesurer lorsque la direction de polarisation du signal optique est parallèle à la direction ordinaire est différente de la sensibilité extraordinaire S_e du réseau 20 lorsque la direction de polarisation du signal optique est parallèle à la direction extraordinaire. Par contre, les sensibilités S_o et S_e du réseau 20 aux autres grandeurs physiques que celle à mesurer sont les mêmes pour les polarisations ordinaire et extraordinaire.

[95] Dans le cas d’une fibre PANDA, cette propriété est obtenue lorsque la grandeur physique à mesurer est la pression hydrostatique. Dans ce cas, la sensibilité S_o du réseau 20 à variation de la pression hydrostatique est définie par la relation suivante : AÀB/ÀB = s₀*AP, où :

- AÀ_B est la variation de la longueur d’onde fondamentale du réseau de Bragg pour une polarisation ordinaire, et

- AP est la variation de la pression hydrostatique.

[96] De façon similaire, la sensibilité S_e du réseau 20 est définie par la relation suivante : AÀ_B/À_B = S_e*AP, où AÀ_B est cette fois-ci la variation de la longueur d’onde fondamentale du réseau de Bragg pour une polarisation extraordinaire.

[97] Lorsque la fibre 130 est utilisé à la place de la fibre 4, la source laser 12 émet un signal optique comportant simultanément une onde se propageant dans le cœur avec une polarisation rectiligne parallèle à la direction de polarisation ordinaire et une onde se propageant dans le cœur avec une polarisation rectiligne parallèle à la direction de polarisation extraordinaire. Dans ces conditions, le signal retro-diffusé mesuré par le capteur 14 est modulé par effet Vernier optique. Le décalage du sommet de l’enveloppe du signal rétro-diffusé est dans ce cas proportionnel à la variation de la pression hydrostatique. Ainsi, lorsque la fibre 130 est utilisée, le dispositif mesure les variations de la pression hydrostatique au niveau de la portion de fibre contenant le réseau 20.

[98] Chapitre : Variantes :

[99] Variantes du réseau de Bragg :

[100] L’ordre k_c de l’harmonique qui se trouve au centre du peigne à réaliser est ici supérieur à 100 et, de préférence, choisi supérieur à 500 ou 1000. Cet ordre k_c peut aussi être choisi supérieur 2000 ou 4000 ou 10000. Théoriquement, il n’existe pas de limite supérieure pour cet ordre k_c. Toutefois, il découle de la relation (1 ) que plus l’ordre k_c est grand, plus le pas A du réseau de Bragg est grand et donc que le réseau de Bragg est plus long. En pratique, c’est donc la longueur maximale souhaitée pour le réseau de Bragg qui impose une limite supérieure pour l’ordre k_c. Ici, cette longueur maximale est fixée à 1 m. [101] De même, la valeur minimale du pas A est supérieure à 20 pm et, typiquement, supérieure à 50 pm pour que des harmoniques d’ordre très élevé soient compris dans le domaine de l’optique. Théoriquement, il n’existe pas de valeur maximale pour le pas A. En effet, quelle que soit la valeur retenue pour le pas A, il est possible de trouver une valeur pour l’ordre k_c qui permet de placer la longueur d’onde À_c dans le domaine de l’optique. Toutefois, plus le pas A est grand, plus le réseau de Bragg est long. En pratique, c’est donc aussi la longueur maximale souhaitée pour le réseau de Bragg qui impose une limite supérieure pour la valeur du pas A.

[102] A titre d’exemple, en appliquant l’enseignement donné dans le chapitre I, il est possible d’obtenir des peignes centrés sur les longueurs d’onde couramment utilisées en optique tel que, notamment, la longueur d’onde de 800 nm, 1000 nm, 1300 nm ou 1500 nm.

[103] La plage de longueurs d’onde d’intérêt peut être plus large que 100 nm. Par exemple, la largeur de cette plage de longueur d’onde d’intérêt est, en variante, supérieure à 200 nm ou 300 nm. Il n’existe pas de limite supérieure pour la largeur de cette plage de longueur d’onde d’intérêt si ce n’est qu’elle doit se situer dans le domaine de l’optique et qu’elle doit correspondre à une plage de longueurs d’onde que la source optique peut émettre.

[104] Les différentes variantes du motif du réseau de Bragg d’ordre très élevé décrites dans la demande déposée le 29/07/2022 sous le n° FR2207936 par le présent déposant, s’applique aux réseaux de Bragg du dispositif de mesure décrit ici.

[105] Le réseau étalon peut être remplacé par un interféromètre étalon qui produit le même peigne mais en utilisant une autre technologie qu’un réseau de Bragg d’ordre très élevé. Par exemple, le réseau étalon peut être remplacé par une cavité de Fabry Perot obtenue en fixant des miroirs aux extrémités d’une fibre optique.

[106] Les motifs du réseau de Bragg réalisé dans le cœur de la fibre optique peuvent avoir des formes différentes. Par exemple, en variante, chaque motif comporte une seule bulle. Dans un autre mode de réalisation, comme décrit dans l’article LUO2022, chaque motif à la forme d’une ellipse.

[107] Variantes du guide d’onde :

[108] Le guide d’onde n’est pas nécessairement une fibre optique. Tout ce qui est décrit dans ce texte dans le cas particulier d’une fibre optique s’applique aussi au cas où le guide d’onde est un guide d’onde réalisé sur une puce photonique. Par exemple, dans ce dernier cas, le cœur de la fibre optique est en silicium monocristallin ou dans un autre matériau semi-conducteur et la gaîne est réalisée dans un matériau couramment utilisé dans le domaine de l’optique sur silicium tel que de l’oxyde de silicium.

[109] D’autres fibres optiques que la fibre SMF-28 peuvent être utilisée. Par exemple, la fibre optique peut être une fibre optique multimode ou MMF (Multi-Mode Fiber).

[110] Il n’est pas nécessaire que le cœur de la fibre optique soit constitué d’un dopage spécifique. Ainsi, le procédé de fabrication décrit peut être mis en œuvre avec des fibres optiques dont le cœur est réalisé en germanosilicates, en silice pure, en aluminosilicates dopés aux terres rares ou en saphir.

[111] En variantes, le réseau étalon et le réseau de mesure sont réalisés dans des fibres optiques différentes couplées optiquement l’une à l’autre par l’intermédiaire d’un coupleur optique. Dans ce cas, l’agencement est identique à celui décrit en référence à la figure 1 de l’article CHEN2022 sauf que l’interféromètre de mesure et l’interféromètre étalon sont chacun réalisés sous la forme d’un réseau de Bragg d’ordre très élevé.

[112] Lorsque le réseau étalon est réalisé dans une première fibre optique différente d’une seconde fibre optique dans laquelle est réalisé le réseau de mesure, alors, en variante, les caractéristiques de la première fibre sont choisies différentes des caractéristiques de la seconde fibre pour que la sensibilité du réseau étalon aux variations de la grandeur physique à mesurer soit moindre que la sensibilité du réseau de mesure à ces mêmes variations de la grandeur physique.

[113] Variantes de la structure isolante :

[114] D’autres modes de réalisation de la structure isolante sont possibles. Par exemple, le réseau de Bragg de mesure et/ou le réseau étalon de Bragg sont isolés des variations de contraintes mécaniques en mettant en œuvre l’enseignement de la demande FR3087008A1 par isolation du cœur de la fibre optique par micro-usinage.

[115] Dans le cas où la grandeur physique à mesurer est la température ou la pression hydrostatique, la structure isolante est conçue pour isoler le réseau étalon, respectivement, des variations de température ou des variations de la pression hydrostatique.

[116] Lorsque le réseau de mesure a été rendu sensible à une grandeur physique à laquelle le réseau étalon est insensible ou moins sensible, comme décrit dans le mode de réalisation de la figure 10, alors la structure isolante peut être omise. [117] Variantes du procédé de fabrication :

[118] Il existe de nombreuses variantes du procédé de fabrication d’un réseau de Bragg d’ordre très élevé. En particulier, tous les procédés de fabrication et leurs variantes décrits dans la demande déposée le 29/07/2022 sous le n° FR2207936 par le présent déposant sont utilisables pour fabriquer chaque réseau de Bragg d’ordre très élevé. Le procédé de fabrication décrit dans l’article LUO2022 est aussi utilisable.

[119] Autres variantes :

[120] Les directions de polarisation ordinaire et extraordinaire peuvent ne pas être perpendiculaire l’une à l’autre. Dans un mode de réalisation particulier, la fibre optique présente plus de deux indices de réfraction différents et donc plus de trois directions de polarisation possibles. Dans un tel cas, par exemple, seules deux des directions de polarisation sont exploitées pour générer le signal optique modulé par effet Vernier optique.

[121] D’autres modes de réalisation d’une fibre biréfringente sont possibles. Par exemple, d’autres modes de réalisation d’une fibre biréfringente sont connus sous les noms de « fibre optique à nœud papillon » (« Bowtie optical fiber » en anglais), de fibre optique « à couche de contrainte elliptique » (« Elliptical stress layer » en anglais). La biréfringence peut aussi être obtenue en utilisant un cœur dont la section transversale est elliptique. Dans ce dernier cas, l’élément de maintien de la polarisation est la forme de la section transversale du cœur et il n’est pas situé dans la gaine 62. Il existe encore d'autres moyens d'obtenir la biréfringence. Un exemple est l'utilisation de trous d'air longitudinaux ou de vides dans les fibres de cristal photonique.

[122] Dans une variante simplifiée, l’unité 40 calcule seulement la variation de la grandeur physique mesurée et non pas sa valeur absolue. Dans ce cas, il n’est nécessaire de connaître la valeur initiale de la grandeur physique mesurée.

[123] La sensibilité S_G d’un réseau de Bragg aux variations AG de la grandeur physique à mesurer peut être, en première approximation, considérée comme étant constante sur toute la plage d’utilisation du dispositif de mesure. Ceci est particulièrement vrai si la plage d’utilisation est petite, c’est-à-dire que la plage à l’intérieure de laquelle la valeur de la grandeur physique varie est petite. Toutefois, en variante, il est aussi possible de considérer que la sensibilité S_G n’est pas constante sur toute la plage d’utilisation. Dans ce dernier cas, typiquement, lors d’une phase de calibration du dispositif de mesure, une loi d’étalonnage est construite. Cette loi associe à chaque variation mesurée AÀ_B de la longueur d’onde fondamentale du réseau de mesure, une valeur correspondante de la grandeur physique mesurée. Cette loi est ensuite mémorisée dans la mémoire 44 puis utilisée par le dispositif de mesure pour convertir chaque variation AÀ_B mesurée en une valeur mesurée de la grandeur physique.

[124] Le spectre de puissance d’un réseau de mesure est décalé en réponse à une variation de température, une déformation longitudinale ou une variation de la pression hydrostatique. Ainsi, tous les modes de réalisation précédent, peuvent être adaptés pour mesurer une grandeur physique choisie dans le groupe composé de la température, d’une déformation longitudinale et d’une variation de pression hydrostatique. A l’aide de la mesure d’une de ces grandeurs physiques, il est possible d’en déduire des mesures pour d’autres grandeurs physiques telles que des vibrations, l’accélération ou encore de détecter des ondes acoustiques.

[125] Le capteur 14 peut être raccordé à l’extrémité distale 6 de la fibre optique au lieu d’être raccordé à son extrémité proximale 8. Dans ce cas, le capteur 14 mesure le signal optique qui a traversé le réseau de Bragg. Dès lors, le spectre de puissance du signal mesuré est un spectre de puissance en transmission et non pas en réflexion. Toutefois, tout ce qui a été décrit dans le cas particulier où le capteur 14 est raccordée à l’extrémité 8 s’adapte, sans difficulté particulière, au cas où le capteur 14 est raccordé à l’extrémité distale.

[126] La source 12 n’est pas nécessairement une source laser à balayage. Par exemple, la source 12 est remplacée par une source laser large, c’est-à-dire une source laser qui émet un signal optique dont le spectre de puissance recouvre simultanément la totalité de la plage de longueurs d’onde d’intérêt. Dans ce cas, le signal optique émis n’est pas mono-fréquence. De plus, pour chaque réponse spectrale à mesurer, l’analyseur spectral comporte alors une pluralité de photodétecteurs qui mesure simultanément la puissance de la réponse spectrale pour un grand nombre de longueurs d’ondes différentes. Par exemple, dans ce cas, le capteur 14 est un spectromètre à barrette. Dans un tel mode de réalisation, il n’est pas nécessaire de faire varier la longueur d’onde À_s pour balayer toute la plage de travail. Dans une autre variante, la source 12 n’est pas une source laser. Par exemple, la source 12 peut aussi être réalisée à l’aide d’une cavité de Fabry Pérot accordable. [127] Tout ce qui a été décrit précédemment dans le cas particulier où la longueur d’onde À_c du pic d’ordre k_c est comprise entre 200 nm et 5000 nm s’applique aussi au cas où la longueur d’onde À_c est comprise entre 5000 nm et 10000 nm et, en particulier, au cas où la longueur d’onde À_c est comprise dans le domaine de l’infrarouge. Lorsque la longueur d’onde À_c est dans le domaine de l’infrarouge, le cœur de la fibre optique est par exemple réalisé dans du verre de chalcogénure.

[128] Plusieurs des variantes décrites ci-dessus peuvent être combinées dans un même mode de réalisation.

[129] Chapitre III : Avantages des modes de réalisation décrits :

[130] Les réseaux de Bragg d’ordre très élevé présentent des peignes de pics qui permettent d’obtenir une sensibilité élevée lorsqu’ils sont utilisés en tant qu’interféromètre dans un dispositif de mesure utilisant l’effet Vernier optique. De plus, les réseaux de Bragg d’ordre très élevé sont simples à fabriquer dans le cœur d’un guide d’onde. En particulier, il n’est pas nécessaire d’avoir recours à des éléments extérieurs au guide d’onde, comme des miroirs raccordés aux extrémités du guide d’onde. Ainsi, grâce à l’utilisation de réseaux de Bragg d’ordre très élevé il est possible d’obtenir un dispositif de mesure utilisant l’effet Vernier optique qui est à la fois simple à fabriquer tout en présentant une sensibilité élevée. Cette amélioration de la sensibilité est expliquée par le fait que les dispositifs décrits ici exploitent les harmoniques d’ordre très élevé des réseaux de Bragg et non pas les harmoniques proches de la longueur d’onde À_B. Ces harmoniques d’ordre très élevé sont plus fins que ceux obtenus à l’aide d’interféromètres connus réalisés dans le cœur du guide d’onde, ce qui permet d’améliorer la sensibilité du dispositif de mesure sans en complexifier la fabrication.

[131 ] L’utilisation d’une fibre optique biréfringente permet de générer le signal optique modulé par effet Vernier en utilisant pour cela un seul réseau de Bragg réalisé dans le cœur de cette fibre optique. Cela simplifie la réalisation de la fibre optique.

[132] La génération du signal modulé par effet Vernier optique à partir de l’enregistrement numérique 96 du signal étalon permet d’éviter la réalisation du second réseau de Bragg dans le cœur de la fibre optique. De plus, l’enregistrement numérique du signal étalon est totalement indépendant des variations de la grandeur physique à mesurer. Il n’est donc pas nécessaire de prévoir une structure physique isolante pour limiter les variations de ce signal étalon. [133] Le fait de réaliser le réseau étalon dans le cœur de la même fibre optique que celui où est réalisé le réseau de mesure, simplifie la structure du dispositif de mesure.

[134] Le fait que le réseau étalon soit moins sensible aux variations de la grandeur physique à mesurer que le réseau de mesure permet d’éviter l’usage d’une structure isolante telle que la structure 30.

[135] Le fait que le réseau de mesure comporte des centres colorés permet de mesurer une dose de rayonnement.

[136] Le fait que les pas du réseau étalon et du réseau de mesure soient très proche l’un de l’autre permet d’obtenir un facteur d’amplification important et donc d’accroître la sensibilité du dispositif de mesure.

[137] Le fait d’utiliser une ou plusieurs bulles dans chaque motif permet d’obtenir un motif petit et donc de réduire substantiellement les pertes d’insertion.

[138] Le fait d’utiliser plusieurs bulles disjointes permet d’obtenir un motif suffisamment réfléchissant pour diminuer le nombre de motifs et donc pour conserver la compacité du réseau de Bragg tout en limitant les pertes par insertion. En effet, lorsque les bulles se chevauchent, les zones de chevauchement entre plusieurs bulles sont soumises à plusieurs impulsions successives du laser femtoseconde. Il a été observé qu’une zone du cœur de la fibre optique qui est soumise à plusieurs impulsions du laser femtoseconde, se dégrade. Cette dégradation augmente les pertes par diffusion. A l’inverse, lorsque les bulles sont disjointes, de telles zones de chevauchement n’existent pas, ce qui limite les pertes par insertion.

Claims

Revendications

1. Dispositif de mesure d’une grandeur physique utilisant l’effet Vernier optique, ce dispositif comportant :

- un guide d'onde (4 ; 94 ; 104 ; 120 ; 130) contenant un cœur (60) qui s’étend le long d’un axe longitudinal (58) et à l’intérieur duquel un signal optique guidé par le guide d'onde est apte à se propager le long de l’axe longitudinal du guide d'onde,

- un premier réseau de Bragg (20 ; 20i à 20_N ; 122) réalisé dans une première portion du cœur du guide d'onde exposée aux variations de la grandeur physique, ce premier réseau de Bragg comportant au moins trois motifs identiques alignés les uns derrières les autres le long de l’axe longitudinal du guide d'onde et séparés les uns des autres par un premier pas, ce premier réseau de Bragg présentant un spectre de puissance dont les pics se déplacent en réponse à une variation de la grandeur physique,

- une source optique (12) raccordée au guide d'onde et apte à émettre un signal optique qui se propage le long de l’axe longitudinal de ce guide d'onde, les longueurs d’onde de ce signal optique émis étant comprises à l’intérieur d’une plage de longueurs d’onde d’intérêt située entre 200 nm à 10000 nm,

- un capteur (14) raccordé au guide d'onde et apte à mesurer le signal optique émis par la source optique après qu’il ait interagi avec le premier réseau de Bragg,

- une unité électronique (40) de traitement configurée pour :

- obtenir, à partir du signal mesuré par le capteur, un signal modulé par effet Vernier, ce signal modulé par effet Vernier correspondant à la superposition d’un signal mesuré résultant de l’interaction du signal optique émis avec le premier réseau de Bragg et d’un signal étalon correspondant à l’interaction du même signal optique émis avec un second réseau de Bragg dont le pas entre les motifs est différent du premier pas et dont les pics du spectre de puissance se déplacent moins en réponse à une même variation de la grandeur physique que les pics du spectre de puissance du premier réseau de Bragg, et

- calculer une mesure de la variation de la grandeur physique à partir de l’enveloppe du spectre de puissance du signal modulé par effet Vernier obtenu, Tl caractérisé en ce que le premier pas est telle que le spectre de puissance du premier réseau de Bragg présente plusieurs harmoniques discernables d’ordre supérieur à cent à l’intérieur de la plage de longueurs d’onde d’intérêt.

2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel :

- le guide d’onde (130) est une fibre optique biréfringente présentant un indice de réfraction ordinaire pour des ondes se propageant dans le cœur avec une polarisation rectiligne parallèle à une direction de polarisation ordinaire et un indice de réfraction extraordinaire pour les ondes se propageant dans le cœur avec une polarisation rectiligne parallèle à une direction de polarisation extraordinaire, la direction de polarisation extraordinaire étant différente de la direction de polarisation ordinaire et la sensibilité de l’indice de réfraction ordinaire aux variations de la grandeur physique à mesurer est différente de la sensibilité de l’indice de réfraction extraordinaire aux variations de la grandeur physique à mesurer, et

- la source optique (12) est apte à émettre un signal optique comportant simultanément une onde se propageant dans le cœur avec une polarisation rectiligne parallèle à la direction de polarisation ordinaire et une onde se propageant dans le cœur avec une polarisation rectiligne parallèle à la direction de polarisation extraordinaire de sorte que le signal optique mesuré par le capteur (14) est un signal optique modulé par effet Vernier.

3. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel l’unité de traitement comporte une mémoire (44) contenant un enregistrement numérique (96) du signal étalon et l’unité de traitement est configurée pour générer numériquement le signal modulé par effet Vernier à partir du signal mesuré par le capteur (14) et de l’enregistrement numérique du signal étalon.

4. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel :

- le second réseau de Bragg (22) est réalisé dans une seconde portion du cœur du même guide d'onde ou dans un autre guide d’onde, et

- la sensibilité du second réseau de Bragg aux variations de la grandeur physique est plus petite que la sensibilité du premier réseau de Bragg aux variations de la grandeur physique.

5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le cœur du guide d’onde dans lequel est réalisé le premier réseau de Bragg est en germanosilicate et le premier réseau de Bragg comporte des centres colorés issus de la recombinaison de liaisons entre le germanium et la silice tandis que le second réseau de Bragg est dépourvu de telles centres colorés.

6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le pas du second réseau de Bragg est compris entre 0,95Ai et 1 ,05Ai , où Ai est le premier pas du premier réseau de Bragg.

7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :

- chaque motif (Mi, M₂, M_N-I, M_N) du premier réseau de Bragg (20 ; 20i à 20_N ; 122) s’étend principalement dans un plan, appelé « plan du motif », perpendiculaire à l’axe longitudinal du guide d'onde, et

- chaque motif est constitué d’une ou plusieurs bulles (Bi - B₆) disposées les unes à côté des autres dans le plan du motif, et

- la surface de la projection orthogonale de toutes les bulles du motif sur le plan du motif est inférieure à 50 % de la surface de la section transversale du cœur (60) du guide d'onde.

8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel chaque motif est constitué de plusieurs bulles (Bi - B₆) disjointes disposées les unes à côté des autres dans le plan du motif.

9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :

- le nombres de pics des premier et second spectres de puissance à l’intérieur de la plage de longueurs d’onde d’intérêt est supérieure à un facteur M d’amplification de l’effet Vernier, et

- le facteur M d’amplification est défini par la relation suivante : M = (ISLi * ISI_₂)/(ISI_i - ISL₂), OÙ ISLI et ISL₂ sont, respectivement, les intervalles spectraux libres des premier et second réseaux de Bragg.

10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel pour chaque réseau de Bragg réalisé dans le cœur du guide d'onde :

- les motifs (Mi, M₂, M_N-I , M_N) du réseau de Bragg sont espacés les uns des autres par un pas constant supérieur ou égal à 20 pm, et

- l’écart entre l’indice de réfraction du cœur (60) du guide d'onde et l’indice de réfraction de chaque motif du réseau de Bragg est supérieur à 0,3.

11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque motif (Mi, M₂, M_N-I , M_N) est réalisé à l’aide d’une impulsion d’un laser femtoseconde.

12. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la grandeur physique est choisie dans le groupe constitué d’une température au niveau de la première portion, d’une déformation mécanique de la première portion et d’une pression hydrostatique appliquée sur la première portion.

13. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plage de longueurs d’onde d’intérêt est située entre 200 nm à 5000 nm,