Study of the stimulated Brillouin scattering in standard optical fibres. Application to the temperature and pressure sensors

Etude de la diffusion Brillouin stimulée dans les fibres monomodes standard. Application aux capteurs de température et de pression

Sébastien Le Floch

Stimulated Brillouin scattering (SBS) is one of the effects one can observe in single-mode optical fibers and is of major interest in many applications. It results from the diffusion of laser waves through interaction with acoustical waves that are present in the medium and arises mainly threw the form of a backscattered Stokes wave, limiting the maximum power of a transmitted incident laser wave in a fiber and constituting a severe penalty for long distances of optical transmissions. The frequency shift of the Stokes wave with the laser wave is called Brillouin frequency and is closed to 11 GHz for a wavelength 1550 nm. The Stokes wave analysis allows the study of effects which modify acoustical properties, such as temperature and strain. That's why SBS is widely used for fiber optic sensing. In this present work, a general study of SBS properties in optical fibers is proposed, including a new expression for the pump threshold and an approximated solution for standard Brillouin equations. Starting from the pump-probe technique using a single laser source thanks to an electro-optic modulator, and consisting in the introduction of a counter-propagating artificial Stokes wave which is swept in frequency, the Brillouin gain curve is measured for temperatures ranging from 1K to ambiant temperature. This unique potentiality of Brillouin sensing at very low temperatures is shown with a resolution better than 1°C. Results with pressure show for the first time a linear relation with Brillouin frequency, so that SBS is a new sensor of pressure in optical fibers.

La diffusion Brillouin stimulée (DBS) constitue un des effets non-linéaires observés dans les fibres optiques monomodes et est d'une grande importance dans diverses applications. Elle résulte de la diffusion des ondes lasers par interaction avec les ondes acoustiques présentes dans le milieu et se manifeste essentiellement par la génération d'une onde Stokes rétrodiffusée, limitant la puissance maximale d'une onde laser transmise dans une fibre optique et impliquant une sévère contrainte pour les transmissions optiques longue distance. Le décalage fréquentiel de cette onde par rapport à l'onde laser est appelé fréquence Brillouin et est proche de 11 GHz à une longueur d'onde 1550 nm. L'analyse de l'onde Stokes permet également l'étude des effets modifiant les caractéristiques acoustiques, telles que la température et la contrainte. C'est pourquoi la DBS est largement utilisée pour la réalisation de capteurs à fibres optiques. Dans ce présent travail de thèse, une étude générale des propriétés de la DBS dans les fibres est proposée, incluant notamment l'établissement d'une nouvelle expression de la puissance de seuil et une solution approchée aux équations Brillouin traditionnelles. A partir de la technique pompe-sonde utilisant une seule source laser grâce à un modulateur électro-optique et qui consiste en l'introduction artificielle d'une onde Stokes contre-propagative que l'on balaye en fréquence, la courbe de gain Brillouin est analysée pour des températures allant de 1K à la température ambiante. La potentialité unique de capteur Brillouin fibré des très basses températures est démontrée et ce avec une sensibilité inférieure à 1°C. Les résultats en pression hydrostatique montrent pour la première fois une relation parfaitement linéaire avec la fréquence Brillouin, ce qui fait de la DBS un nouvel outil de mesure de la pression dans les fibres optiques.

Mots clés: stimulated Brillouin scattering; sensors; pressure

Mots clés: diffusion Brillouin stimulée; capteurs; température; pression

Domaines: Physique [physics]

Sébastien Le Floch. Etude de la diffusion Brillouin stimulée dans les fibres monomodes standard. Application aux capteurs de température et de pression. Physique [physics]. Université de Bretagne occidentale - Brest, 2001. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00008526⟩