Développement de composants transducteurs et de dispositifs aux fonctionnalités innovantes fondés sur la technologie des fibres microstructurées et des réseaux de Bragg

Discipline

Électronique des Hautes Fréquences et Optoélectronique

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Bragg, guides d'ondes, modèles et modélisation, fibres optiques

Mots-clés

Fibres optiques - Modèles mathématiques - Thèses et écrits académiques,

Réfractométrie - Thèses et écrits académiques,

Capteurs optiques - Thèses et écrits académiques

Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement des Capteurs à Fibres Optiques fondés sur les fibres dites microstructurées. Les nombreux avantages inhérents à ces fibres spéciales issues de cette technologie innovante sont liés à la présence dans la gaine optique de canaux d'air parallèles à l'axe du guide. Tant les télécommunications que l'instrumentation peuvent tirer profit des nombreuses possibilités offertes par la conception ‘à la demande' de ce type de guide, rendue possible par l'assemblage parallèle de tiges et de tubes de silice qui constituent autant de zones de la préforme à partir de laquelle sera réalisée la fibre microstructurée. Ainsi, il est envisageable d'utiliser l'interaction entre le champ électromagnétique de l'onde optique et les milieux liquides, voire solidifiés, présents dans lesdits canaux pour réaliser des transducteurs ou bien des modulateurs actifs de lumière par exemple. Au-delà, la conception de la fibre permet d'optimiser la sensibilité de mesure aux paramètres recherchés. Enfin, le recours à des réseaux de Bragg photo-inscrits dans le cœur de la fibre complète avantageusement la fonction transductrice des capteurs en rendant possible les mesures déportées et spectralement multiplexées. Ce manuscrit décrit la photo-inscription d'un réseau de Bragg à pas court et à traits droits, ou à traits inclinés, dans une fibre microstructurée et l'étude de la sensibilité de sa résonance spectrale en fonction de l'indice de réfraction d'un milieu inséré dans les canaux de la fibre, et ce pour plusieurs conceptions de fibres. Le principe de la mesure est de suivre le décalage spectral de la raie de Bragg en fonction de l'indice de réfraction du milieu présent dans les canaux. Dans un premier temps, une caractérisation des fibres microstructurées fabriquées par le consortium du projet MONTE CRISTO auquel cette recherche était adossée (fibre à 6 trous, puis à 18 trous), a été réalisée via l'inscription de réseaux de Bragg à traits droits et la comparaison entre les résultats expérimentaux d'une imagerie modale en bout de fibre avec ceux issus des modèles. Pour ce faire, en plus de l'utilisation du logiciel commercial FEMLab (de type éléments finis) un outil de simulation, fondé sur la méthode des fonctions localisées, a été mis en œuvre au sein du laboratoire. Celui-ci permet, en outre, de déterminer la sensibilité d'un profil de fibre donné à l'indice de réfraction du milieu dans les canaux (les sensibilités obtenues respectivement avec les fibres à 6 et 18 trous pour un produit présent dans les canaux d'indice de réfraction proche de 1,33 sont de 4×10-3 u.i.r/ pm et 7×10-4 u.i.r/ pm). Cet outil nous a ensuite permis de modéliser la conception d'un profil de fibre microstructurée spécifique constitué de trois gros canaux proches du cœur. Cette constitution améliore grandement l'interaction entre le champ électromagnétique et le milieu inséré et in fine accroît la sensibilité de la résonance de Bragg à l'indice de réfraction (sensibilité de 3×10-5 u.i.r/ pm pour un indice de réfraction de l'ordre de 1,33). Dans un second temps, différents fluides d'indices de réfraction connus ont été introduits par capillarité dans les canaux de la fibre. L'évolution spectrale du réseau de Bragg photo-inscrit dans le cœur (dopée Ge) de la fibre microstructurée avec l'indice de réfraction a ainsi permis de déterminer finement la sensibilité de mesure. Une autre approche, fondée sur l'emploi d'un réseau de Bragg à traits inclinés a également été investiguée. Celle-ci, complémentaire de la première (consistant à modifier le profil de la fibre et donc ses caractéristiques optogéométriques), a permis, à nouveau, d'augmenter significativement la sensibilité de mesure en considérant l'évolution spectrale avec l'indice de réfraction d'un des modes d'ordre supérieur du réseau. Au delà, un dispositif réfractométrique ‘réversible' sur plusieurs cycles permettant l'insertion puis l'extraction de liquides à analyser dans les canaux de la fibre, a été développé et caractérisé, démontrant ainsi la faisabilité de l'approche globale de mesure d'indices au sein des fibres microstructurées. En complément des mesures d'indice, une étude préliminaire a été réalisée afin de mettre en évidence la possibilité d'accroître la sensibilité thermique d'un réseau de Bragg à pas droits inscrit dans une fibre microstructurée, en insérant dans ses canaux un fluide dont l'indice est supérieur à une valeur ‘seuil' fonction de la géométrie du guide. Ainsi il est possible de doubler la sensibilité thermique du réseau de Bragg, pour un profil de fibre et un indice de réfraction donné. Ainsi, la voie est désormais ouverte à toute une ingénierie de capteurs mettant en œuvre : réseaux de Bragg (droits ou en angle), fibres microstructurées optimisées et dispositifs fluidiques d'insertion ou d'extraction des liquides transducteurs ou à analyser. Les domaines d'emploi potentiel recouvrent de nombreux secteurs comme la biologie, la chimie ou l'environnement.