DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Titre Etude de la diffusion Brillouin stimulée dans les fibres optiques monomodes standard. Application aux capteurs de température et de pression. Sébastien Le Floch Laboratoire d’Opto-éLectronique de l’ISEB (DOLI) 20 rue Cuirassé Bretagne 29604 Brest 1

• Motivations initiales DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Sommaire • Motivations initiales • Principaux effets non-linéaires dans les fibres optiques • Génération de la diffusion Brillouin stimulée • Amplification de la diffusion Brillouin stimulée • Dispositif de laboratoire • Résultats expérimentaux • Conclusion & perspectives 2

Motivations initiales DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Motivations initiales • Alternative au bathythermographe classique - Sonde = fibre optique standard - Mesures distribuées T et P  spectrométrie optique NL Raman / Brillouin 3

Effets Non-Linéaires Modèle de Lorentz : Anharmonicité du potentiel : DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Effets Non-Linéaires V(x) Parabole V(x) = K/2.x² F(x) = -K.x x Anharmonicité du potentiel : Potentiel réel Modèle de Lorentz : Fibres Optiques : - Génération 3ème harmonique, mélange 4 ondes - Réfraction NL 4

Diffusions Inélastiques Spontanées DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Diffusions Inélastiques Spontanées Vibrations des molécules  Inhomogénéités  Diffusions Raman & Brillouin h Stokes Rayleigh E' Ei E En anti-Stokes hs has  0 Rayleigh Raman anti-Stokes Stokes Brillouin anti-Stokes Brillouin Stokes 5

Diffusion Brillouin Stimulée DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Diffusion Brillouin Stimulée Origine de la stimulation : Electrostriction Propagation des ondes optiques et acoustique 6

• Motivations initiales DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Sommaire • Motivations initiales • Principaux effets non-linéaires dans les fibres optiques • Génération de la diffusion Brillouin stimulée • Amplification de la diffusion Brillouin stimulée • Dispositif de laboratoire • Résultats expérimentaux • Conclusion & perspectives 7

Expérience de Ippen et Stolen (1972) DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Expérience de Ippen et Stolen (1972) Fibre optique Ecran photographique Détecteur Laser Xenon Etalon F.P. • Génération DBS avec PL<< 1W • Mesure B 8

Génération DBS-Force de Langevin DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Génération DBS-Force de Langevin • Source fluctuante distribuée Bruit Langevin Electrostriction Interférences Diffraction Ondes acoustiques  Onde incidente L Stokes S L - S =  9

Equations Maxwell-Bloch DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Equations Maxwell-Bloch z Intensité L IL=IL(0)e-z IS(z) Hypothèses : • Non-appauvrissement onde laser • Onde laser quasi-monochromatique (L<< B) • Régime stationnaire (=t+zn/c  1/B) • Atténuation des ondes optiques  1010

Spectres Brillouin Stokes et anti-Stokes DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Spectres Brillouin Stokes et anti-Stokes 11

Réflectivité-Puissance de seuil DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Réflectivité-Puissance de seuil [2] • • Smith[1] Pth (mW) Gain Leff (km) Leff [1] Smith, Applied Optics, 11 p1175, 1971 [2] Publication en cours Optics Letters 1212

• Motivations initiales DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Sommaire • Motivations initiales • Principaux effets non-linéaires dans les fibres optiques • Génération de la diffusion Brillouin stimulée • Amplification de la diffusion Brillouin stimulée • Dispositif de laboratoire • Résultats expérimentaux • Conclusion & perspectives 1313

Expérience Shibata et al. (1986) DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Expérience Shibata et al. (1986) Laser sonde Lock-in Amp Laser pompe Laser local X Y Récepteur Chopper • Courbe de gain Brillouin • Largeur Brillouin et dopage fibre 1414

Amplification de la DBS DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Amplification de la DBS (état stationnaire) • Equations Brillouin couplées : • Petit Signal : • Conservation[3] : [3] Shen and Bao, Optics Comm. 152, pp65-70, 1998 • Approximation :  Réflectivité [4] [4] Publication en cours Optics Letters 1515

Saturation du Gain-Réflectivité DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Saturation du Gain-Réflectivité PS(0) (mW) PP(L) (mW) PP(0) (mW) PP(0) (mW) R=IS(0)/IP(0) L = 2km,  = 0,5dB/km PS(L) = 1W gB/Aeff = 0,14 (Wm)-1 G=g0IP(0)Leff 1616

• Motivations initiales DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Sommaire • Motivations initiales • Principaux effets non-linéaires dans les fibres optiques • Génération de la diffusion Brillouin stimulée • Amplification de la diffusion Brillouin stimulée • Dispositif de laboratoire • Résultats expérimentaux • Conclusion & perspectives 1717

Dispositif BOTDA[5] • Une seule source laser • MEO  Sonde DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Dispositif BOTDA[5] Laser InGaAsP 30 mW A isolateur optique analyseur de spectre 10/90 MEO PC fibre test filtre B • Une seule source laser • MEO  Sonde • Filtre  Détection signal Stokes générateur RF [5] Niklès et.al J. Lightwave Tech 15 pp 1842-1851, 1997 1818

Génération signal sonde DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Génération signal sonde • MEO au V : P - fm P + fm 2fm P 0 Fréquence 1919

Interaction pompe-sonde DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Interaction pompe-sonde P + fm P - fm P fm P- fm A) B) Raie latérale supérieure P+fm Raie latérale inférieure P-fm I (uW) 2020

Appauvrissement pompe et largeur Brillouin DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Appauvrissement pompe et largeur Brillouin • Signal Stokes au premier ordre : B (MHz) IS(L) (W) 2121

Influence des largeurs de raie laser [6] DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Influence des largeurs de raie laser [6]   signal sonde de la largeur à mi-hauteur  S exp{gB(, P)} 2222 [6] Publication à soumettre Applied Optics

Polarisation des signaux optiques[7] DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Polarisation des signaux optiques[7]  dB Pompe y x gain nul Sonde  Sonde  • Coef. mélange : • Fibre MP : • Fibre Standard : [7] Deventer and Boot, J. Lightwave Tech 12 pp 585-590, 1994 2323

• Motivations initiales DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Sommaire • Motivations initiales • Principaux effets non-linéaires dans les fibres optiques • Génération de la diffusion Brillouin stimulée • Amplification de la diffusion Brillouin stimulée • Dispositif de laboratoire • Résultats expérimentaux • Conclusion & perspectives 2424

Electrostriction et Température DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Electrostriction et Température T (°C) GB (MHz) 2525

Modulateur électro-optique (MEO) DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Expérimentation CERN Cryostat Circulateur Alimentations MEO Alimentation LASER Source Modulateur électro-optique (MEO) Analyseur de spectres Générateur RF -Isolateur -Coupleur 10/90 Fibre test 2626

Fréquence Brillouin et Température DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Fréquence Brillouin et Température B B (GHz) °C B K K 2727

Largeur Brillouin et Température DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Largeur Brillouin et Température B (MHz) B (MHz) K K • Max Absorption Tmax= 110 K 2828

Structure SiO2 • Silice amorphe[5] atome silicium atome oxygène DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Structure SiO2 E V E0 d  3 1 2 • Silice amorphe[5] atome silicium atome oxygène [5] Hunklinger et Arnold, 1976 • Cristal Quartz atome silicium atome oxygène 2929

Modèle théorique-paramètres expérimentaux DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Modèle théorique-paramètres expérimentaux • Barrières :  • Paramètres V0 et 0 : K Q-1 103 Ln() 1/Tmax 3030

Largeur-fréquence Brillouin et Pression DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Largeur-fréquence Brillouin et Pression B (MHz) B (GHz) P (bar) • B : constante • B : CP = -0,091 MHz/bar P (bar) 3131

Conclusion • Génération DBS avec Atténuation * Puissance de Seuil DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Conclusion • Génération DBS avec Atténuation * Puissance de Seuil • Amplification DBS * Résolution Equations Couplées * Influence Largeurs Raies Laser sur CGB • Capteur Température et Pression * Premier Capteur FO Très Basses Températures * Modèle Théorique Friction Interne * Nouveau Capteur Brillouin Hautes Pressions 3232

Perspectives • Capteur FO Basses Températures DBS dans les FO. Application aux capteurs de T et P Perspectives • Capteur FO Basses Températures * Mesures Brillouin T 0,1 K * Gain Brillouin-Electrostriction * Application CERN... • Capteur FO Pression * Hautes Pressions P  1000 bars * Linéarité Fréquence Brillouin ? * Fibres Spéciales * Application Océanographie... 3333 3333 3333 3333