Ce travail de thèse rassemble nos résultats d’étude sur l’utilisation des modes de résonance acoustique pour réaliser des capteurs distribués à base des fibres à cristaux photoniques (Photonic Crystal Fibres : PCF).Tout d’abord, nous avons démontré qu’à l’heure actuelle, il est difficile voire impossible de mesurer en rétrodiffusion les modes acoustiques transverses dans une fibre optique. Ces modes dont la fréquence est inférieure à 2 GHz, ont été mesurés dans une boucle non linéaire sur une PCF, une fibre conventionnelle et une fibre à dispersion décalée. Les différents spectres montrent une dépendance à la structure transverse des fibres.Ensuite, nous avons mis au point un réflectomètre Brillouin (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer : BOTDR) permettant de suivre en temps réel le spectre Brillouin le long d’une fibre avec une résolution spatiale de l’ordre d’une dizaine de mètres. Il est particulièrement capable de discriminer différents modes présents dans le spectre Brillouin.La comparaison des spectrogrammes obtenus sur différentes structures transverses de fibres, confirme que l’existence de multipics Brillouin dans les PCF est liée au très petit coeur (dont le diamètre est de l’ordre de la longueur d’onde de mesure) de la fibre.Enfin, toujours dans l’optique de mieux observer le spectre Brillouin distribué, nous avons développé un outil d’analyse Brillouin vectorielle permettant de cartographier avec précision les modes Brillouin hybrides grâce à la complémentarité du spectrogramme de phase. Les mesures réalisées sur une PCF dont le diamètre varie linéairement de 3,5 µm à 2,6 µm montrent un second mode Brillouin dont la fréquence varie à raison de -118,2 MHz/µm. / This thesis deals with the results of our study on the use of acoustic resonance modesto achieve distributed sensors based on photonic crystal fibres (Photonic Crystal Fibres :PCF).First, we demonstrated that at present it is difficult to measure backscattered transverseacoustic modes in an optical fibre. These modes whose frequency is below 2 GHzhave been measured in a loop on a nonlinear PCF, a conventional fibre and a dispersionshifted fibre. The different spectra show a dependence on the fibres cross section structure.Then we developed a Brillouin reflectometer (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer: BOTDR) to monitor in real time the Brillouin spectrum along a fibre witha spatial resolution of about a dozen meters. It is particularly capable of discriminatingbetween different modes present in the Brillouin spectrum. Comparison of spectrogramsobtained on different transverse structures, confirms that the existence of Brillouin multipeakon PCF is linked to the very small core (with a diameter of about the wavelengthof measurement) of the fibre.Finally, in order to better observe the distributed Brillouin spectrum, we have developeda vector Brillouin optical time domain analyzer for high-order acoustic modes toaccurately map the Brillouin hybrid modes with the complementary phase of the spectrogram.The measurements taken on a PCF whose diameter varies linearly from 3.5 micronsto 2.6 microns show a second Brillouin mode whose frequency varies as -118.2 MHz / um.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie mécanique et productique : Le Mans : 2005. Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie mécanique et productique : Porto : 2005. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 206-237.

Ce travail de thèse rassemble nos résultats d'étude sur l'utilisation des modes de résonance acoustique pour réaliser des capteurs répartis à base des fibres à cristaux photoniques (Photonic Crystal Fibres : PCF). Tout d'abord, nous avons démontré qu'à l'heure actuelle, il est difficile voire impossible de mesurer en rétrodiffusion les modes acoustiques transverses dans une fibre optique. Ces modes dont la fréquence est inférieure à 2 GHz, ont été mesurés dans une boucle non linéaire sur une PCF, une fibre conventionnelle et une fibre à dispersion décalée. Les différents spectres montrent une dépendance à la structure transverse des fibres. Ensuite, nous avons mis au point un réflectomètre Brillouin (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer : BOTDR) permettant de suivre en temps réel le spectre Brillouin le long d'une fibre avec une résolution spatiale de l'ordre d'une dizaine de mètres. Il est particulièrement capable de discriminer différents modes présents dans le spectre Brillouin. La comparaison des spectrogrammes obtenus sur différentes structures transverses de fibres, confirme que l'existence de multipics Brillouin dans les PCF est liée au très petit coeur (dont le diamètre est de l'ordre de la longueur d'onde de mesure) de la fibre. Enfin, toujours dans l'optique de mieux observer le spectre Brillouin réparti, nous avons développé un outil d'analyse Brillouin vectorielle permettant de cartographier avec précision les modes Brillouin hybrides grâce à la complémentarité du spectrogramme de phase. Les mesures réalisées sur une PCF dont le diamètre varie linéairement de 3,5 μm à 2,6 μm montrent un second mode Brillouin dont la fréquence varie à raison de -118,2 MHz/ μm.

Ces dernières années, des avancées considérables ont été obtenues dans le domaine des capteurs à fibres optiques, principalement grâce à l’élan des applications industrielles, de plus en plus diverses et nombreuses (monitoring de structures, surveillance, environnement, applications médicales, ….). Cette thèse concerne le domaine des antennes acoustiques SONAR en technologie « tout-optique » Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à l’étude d’un capteur de contrainte longitudinale à fibre optique. La modulation de phase optique induite par la contrainte est démodulée par un interféromètre adaptatif basé sur le principe de l’holographie dynamique. Cet interféromètre permet, par essence, (i) le filtrage des perturbations basse fréquence de l’environnement, (ii) un fonctionnement en régime linéaire (iii) la démodulation d’un front d’onde complexe, type speckle issu d’une fibre optique multimode. L’holographie dynamique repose sur l’interaction entre deux ondes optiques dans un milieu non-linéaire. Pour notre application, le milieu non-linéaire retenu est un modulateur spatial de lumière adressé optiquement (OASLM) à 1,55 μm. Nous présentons tout d’abord nos travaux de conception, réalisation et caractérisation de l’interféromètre adaptatif. Nous démontrons ensuite un capteur de contrainte à fibre optique basé sur cet interféromètre. Nous étudions également l’augmentation de sensibilité du capteur par l’utilisation d’une fibre optique multimode. Nous discutons finalement nos résultats et le potentiel de la technologie étudiée au regard de l’application visée. / Fiber optic sensors are a key technology for future developments with a large field of applications ranging from structure health monitoring to medical applications. Due to its high compactness, its electromagnetic immunity and the low transmission losses in the telecom window, optical fibers are very promising for underwater acoustic waves detection. We present a method relying on adaptive holographic interferometry based on two beam coupling in an optically addressed spatial light modulator (OASLM). This method allows filtering the slow phase perturbations coming from the environment directly on the sensing optical fiber. In this work, we will first introduce the OASLM operating at 1,55 μm that we have manufactured and the realization of an adaptive holographic interferometer based on this component. Moreover, we will show that it is possible to associate this demodulation method with a multimode optical fiber to reach a better sensitivity. Finally, we will focus on sensors architectures to evaluate the benefit of this technology compared to conventional techniques.

Ce manuscrit d'Habilitation décrit les principales activités de recherche que je mène au sein du groupe Optoélectronique pour les Systèmes Embarqués du LAAS depuis 2003. Dans un premier temps, les travaux porteront sur le développement des capteurs à fibres optiques à base de fibres cristallines de rubis pour des environnements hostiles à savoir température élevée et déformations mécaniques très importantes. Il est à noter que ces capteurs sont insensibles aux dernières perturbations, et par conséquence, ne mesurent que la grandeur physique ciblée. Une deuxième partie concerne le développement initial d'un interféromètre fibré de Fabry-Pérot extrinsèque (EFFPI). Ce premier dispositif est basé sur la décomposition du mode fondamental injecté dans l'interféromètre en deux signaux intrinsèques interférométriques déphasés en quadrature, d'où l'EFFPI à double-cavité optiques. L'EFFPI à double-cavité se montre cependant sensible aux effets de polarisation lors des perturbations induites (variations de température et vibration parasites). Pour éliminer ces difficultés, un EFFPI à modulation est développé. Ce travail est effectué dans le cadre d'un projet ANR qui a pour objectif de développer des nouveaux instruments pour les applications en géophysique. En effet, une double modulation du courant de la diode laser est appliquée, ce qui équivaut une modulation sur la longueur d'onde du laser. Ainsi, nous obtenons une condition de quadrature où l'amplitude du déplacement ainsi que sa direction peuvent être précisément déterminées sans aucune ambiguïté. Par ailleurs, grâce a cette double modulation, l'EFFPI est aussi capable de mesurer des très faibles déplacements, inférieurs à lambda/4 (< 327.50 nm pour lambda = 1310 nm). Trois instruments opto-géophysiques ont ainsi été développés à savoir un inclinomètre longue base à fibre optique, un inclinomètre de forage à fibre optique et un sismomètre à fibre optique. La troisième partie taitera le développement des capteurs à fibres optiques à réseaux de Bragg pour la mesure de déformations mécaniques. Pour ce travail, une nouvelle technique d'interrogation des fibres à réseaux de Bragg basée sur la rétro-injection optique (ou "self-mixing") est exploitée pour réaliser des capteurs de contraintes (déformations mécaniques) avec une bonne précision.

L'objectif de cette thèse est d'étudier des variations de composition de verres ou l'intégration de nanostructures métalliques pouvant présenter un intérêt pour les capteurs à fibres optiques répartis (CFO). Ces capteurs utilisent le coeur des fibres optiques constitué majoritairement de silice (SiO2) pour sonder la température ou les déformations sur des parcours plurikilométriques de fibres. A cette fin, les rétrodiffusions Raman et Brillouin dans les fibres optiques sont utilisées, la diffusion Raman étant sensible aux variations de température et la diffusion Brillouin aux variations de température et de déformation. L'intensité de diffusion Raman peut-être exaltée au contact de nanostructures de métaux nobles, par l'intermédiaire de l'effet SERS (Diffusion Raman Exaltée de Surface) faisant intervenir notamment la résonance plasmon de surface (SPR), oscillation collective des électrons libres à la surface métallique générant une large amplification du champ électrique local. L'intégration de nanostructures métalliques dans les fibres optiques pourrait permettre d'augmenter l'intensité de rétrodiffusion Raman et améliorer les performances des CFO (sensibilité, temps d'intégration…). Une étude sur des échantillons modèles, constitués de substrats SERS nanostructurés d'or et recouvert de silice par dépôt sol-gel, est présentée dans ce manuscrit. Les résultats SERS ainsi obtenus permettent de caractériser le phénomène physique du SERS de SiO2 et de prédire sa potentielle utilité dans les CFO Raman / The purpose of this thesis is to study composition variations of silicate glasses or the integration of metallic nanostructures that may be relevant for distributed fiber optic sensors (FOS). These sensors use optical fiber cores mainly composed of silica (SiO2) to probe temperature or strain on multi-kilometer route fibers. To measure these effects, Raman and Brillouin backscattering in optical fibers are used, Raman scattering being sensitive to temperature variations and Brillouin scattering to temperature and strain variations. Raman scattering intensity may be enhanced in conjunction with noble metal nanostructures via the SERS effect (Surface Enhanced Raman Scattering) which involves surface plasmon resonance (SPR), a collective oscillation of free electrons at the metal surface generating a large amplification of the local electric field. The integration of metallic nanostructures in optical fibers could increase Raman backscattering intensity and improve FOS performance (sensitivity, integration time…). A study on model samples has been performed with SERS substrates consisting of gold nanostructures and coated with a sol-gel oxide deposition (TiO2, SiO2). The obtained SERS results are used to predict the contribution of metallic nanostructures in Raman distributed temperature FOS