WO2024121231A1 - Dispositif de mesure d'une grandeur physique - Google Patents

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WO2024121231A1
WO2024121231A1 PCT/EP2023/084521 EP2023084521W WO2024121231A1 WO 2024121231 A1 WO2024121231 A1 WO 2024121231A1 EP 2023084521 W EP2023084521 W EP 2023084521W WO 2024121231 A1 WO2024121231 A1 WO 2024121231A1
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optical
working range
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PCT/EP2023/084521
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Romain COTILLARD
Guillaume Laffont
Nicolas Roussel
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • G01L11/025—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means using a pressure-sensitive optical fibre

Definitions

  • the invention concerns a device for measuring a physical quantity as well as a standard for producing this device.
  • FIG. 3 An example of such a known measuring device is described in application CN102879022A.
  • This known device comprises a standard and an optical transducer.
  • the optical transducer makes it possible to transform a variation of the physical quantity to be measured into a displacement of a power peak of the power spectrum of the optical transducer.
  • the standard makes it possible to generate a reference power spectrum which is used to correct the measurement and therefore to improve the precision of this measurement.
  • the power spectrum of the standard includes a succession of power peaks very close together in a predetermined working range.
  • the invention aims to propose a device for measuring a physical quantity which has high precision and which is, at the same time, simple to manufacture.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of the architecture of a device for measuring a physical quantity
  • FIG. 1 is a schematic illustration of a standard of the measuring device of Figure 1
  • FIG. 3 is a schematic illustration, partial and in longitudinal section, of a Bragg grating used in the standard of Figure 2,
  • FIG. 4 is a schematic illustration, in cross section, of a pattern of the Bragg grating of Figure 3,
  • FIG. 5 is a graph representing a portion of the power spectrum of the Bragg grating of Figure 3,
  • FIG. 6 is a flowchart of a process for manufacturing the Bragg grating of Figure 3,
  • FIG. 7 is a flowchart of a method for measuring a physical quantity using the device of Figure 1, and
  • FIG. 8 is a schematic illustration, partial and in longitudinal section, of another embodiment of a standard for the measuring device of Figure 1.
  • Figure 1 represents a device 2 for measuring a physical quantity.
  • the physical quantity to be measured is a temperature of an external environment.
  • Device 2 comprises an optical transducer 4 and a standard 6. Transducer 4 is exposed to variations in the physical quantity to be measured.
  • Transducer 4 transforms a variation of the physical quantity to be measured into a displacement of a power peak of its power spectrum.
  • the term “power spectrum” or “spectrum” designates the power spectrum in reflection.
  • the reflected power spectrum is the power spectrum of the optical signal reflected by an optical component.
  • a peak in the reflection power spectrum corresponds to an absorption line in the transmission power spectrum of the same optical component.
  • the power spectrum of transducer 4 includes, for example, a single power peak in a predetermined working range.
  • This working range has a width greater than 5 nm. Typically, its width is also less than or equal to 200 nm or 120 nm. Here the width of the working range is equal to 100 nm.
  • the working range is located within the optical domain.
  • the field of optics designates the range containing the wavelengths usually used in optics. More precisely, in this text, the field of optics designates the range which extends from 200 nm to 10000 nm and, frequently, from 200 nm to 5000 nm or from 400 nm to 2000 nm.
  • transducer 4 is identical or similar to that described in application CN102879022A.
  • the transducer 4 is therefore here a Bragg grating which is produced in the core of an optical fiber 14.
  • the wavelength ⁇ B4 of the fundamental frequency f B4 of this Bragg grating is located within the range predetermined work schedule.
  • the wavelength ⁇ B4 is located approximately in the middle of the working range.
  • - n e is the effective index of the optical fiber inside which the Bragg grating is produced
  • - A is the step of the Bragg grating
  • the effective propagation index of an optical fiber depends on the dimensions of the core of this optical fiber and the materials forming this core and the optical cladding of this optical fiber. It can be determined experimentally or by numerical simulation.
  • Standard 6 presents a reflected power spectrum comprising several power peaks distributed within the working range.
  • the free spectral interval of this standard over the working range is less than or equal to 5 nm and, preferably, less than or equal to 1 nm. Subsequently, such a succession of peaks is also called “a comb of peaks” or simply “a comb”.
  • standard 6 is configured so that its power spectrum is constant. In particular, the standard 6 is arranged so that its power spectrum does not shift as a function of the physical quantity measured nor as a function of variations in other physical quantities of the external environment in which the standard 6 is immersed. In particular, standard 6 is arranged so that its power spectrum does not shift as a function of the temperature of the external environment.
  • “does not move” means that the amplitude of the movement of the power spectrum of the standard 6 is negligible compared to the amplitude A ⁇ of the movement of the power spectrum of the transducer 4 observed at the same time.
  • the amplitude of the shift in the power spectrum of standard 6 is considered negligible if it is ten or a hundred times lower than the amplitude A ⁇ .
  • the transducer 4 is optically connected to an input/output port 10 of an optical coupler 12 via the waveguide 14.
  • the optical coupler 12 comprises:
  • the standard 6 is optically connected to an input/output port 30 of an optical coupler 32 via a waveguide 34.
  • the optical coupler 32 comprises:
  • all of the above waveguides are respective optical fibers.
  • the same numerical references are used to designate the waveguide or the optical fiber.
  • the optical fibers used are single-mode optical fibers also known by the acronym SMF (“Single Mode Fiber”).
  • the spectral analyzer 20 is capable of measuring the spectral responses of the transducer 4 and of the standard 6 then of determining the variation of the physical quantity to be measured from these measured spectral responses. For this, it includes:
  • an optical coupler 52 which optically connects an output port 54 of the laser source 50, simultaneously, to the two output ports 18 and 38,
  • an electronic processing unit 70 electrically connected to the sensors 62, 64 to receive electrical signals representative of the powers of the optical signals measured by, respectively, the sensors 62 and 64.
  • the laser source 50 emits, in the direction of the transducer 4 and the standard 6, a single-frequency optical signal via port 54.
  • the wavelength ⁇ s of the emitted optical signal is in the domain optics.
  • the value of the wavelength ⁇ s depends on a control signal received on a control port 66 of the laser source 50. More precisely, the wavelength ⁇ s is linked to the value of the control signal by a transfer function which, with each value of the control signal, associates a corresponding value of the wavelength ⁇ s .
  • this transfer function is not perfectly linear. In this case, it is called “non-linear”.
  • Such a laser source 50 is also called a “scanning laser source”.
  • the wavelength ⁇ s scans the entire working range.
  • the working range is a wavelength range that extends from the wavelength ⁇ S min to the wavelength ⁇ sm ax.
  • the width of the working range is typically determined by the characteristics of the source 50.
  • the width of the working range is equal to the difference ⁇ smax “ ⁇ smin- In this embodiment, this working range extends from 1500 nm to 1600 nm.
  • Sensor 62 measures the optical signal backscattered by transducer 4.
  • sensor 64 measures the optical signal backscattered by standard 6.
  • sensors 62 and 64 are identical.
  • sensors 62 and 64 are each a photodiode.
  • Each of the sensors 62, 64 has a spectral observation range which encompasses the working range.
  • Unit 70 is notably configured for:
  • the unit 70 comprises a programmable microprocessor 72 and a memory 74 containing the data and instructions necessary for the operation of the spectral analyzer 20.
  • the memory has a coefficient S G of sensitivity which makes it possible to establish the variation of the physical quantity from the determined amplitude A ⁇ .
  • At B i4 is the wavelength of the fundamental frequency of the Bragg grating of transducer 4 in a reference state
  • - A ⁇ is the amplitude of the variation in the wavelength of the fundamental frequency of the Bragg grating of transducer 4 obtained in response to a variation AG of the physical quantity to be measured.
  • the wavelength ⁇ B>4 corresponds, here, to a reference wavelength for the power peak of the transducer 4.
  • the amplitude A ⁇ is equal to the difference between the wavelength ⁇ B m4 of the fundamental frequency measured for the transducer 4 and the reference wavelength ⁇ B i4.
  • the wavelength ⁇ Bm 4 varies depending on the physical quantity to be measured.
  • the value of the wavelength ⁇ B i4 is recorded in memory 74.
  • This wavelength ⁇ B i4 can also be associated, in memory 74, with a corresponding absolute value of the physical quantity to be measured.
  • the unit 70 is also connected to a man-machine interface 76 to communicate the result of the measurements carried out to a human being.
  • Figure 2 represents in more detail the architecture of the standard 6.
  • the standard 6 includes a Bragg grating 80 produced in the core of the optical fiber 34.
  • the network 80 is a Bragg grating of order very high.
  • very high order refers to the fact that the Bragg grating power spectrum exhibits discernible harmonics of order higher than N in the optical domain and, more precisely, in the range of work, where N is an integer greater than 100 and, preferably, greater than 500 or 1000.
  • N is an integer greater than 100 and, preferably, greater than 500 or 1000.
  • harmonics of order k greater than N, which each correspond to a power peak distinct from the peaks corresponding to harmonics of orders k-1 and k+1. This peak of order k is also greater than the noise.
  • - n e is the effective index of the optical fiber in which the very high order Bragg grating is produced
  • - A is the step of the very high order Bragg grating.
  • this peak of order k is located inside the working range.
  • the power spectrum of network 80 includes a succession of peaks each corresponding to a harmonic of order greater than N. These peaks are very close together and very fine.
  • “very close” means that the free spectral interval is less than 5 nm and, preferably, less than or equal to 1 nm.
  • “very fine” means that the width at half maximum of each peak is less than the free spectral interval and, preferably, twice less than the free spectral interval.
  • the heights of these peaks are approximately the same over the entire working range because each of these peaks corresponds to a very high order harmonic.
  • the power spectrum of a network 80 is a comb of peaks as previously defined.
  • 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, 06/15/2022. This article is subsequently designated by the reference “LUO2022”.
  • the pitch of these standard Bragg gratings are systematically less than 50 pm or 20 pm and, generally, even less than 10 pm. Under these conditions, the standard Bragg grating cannot be a very high order Bragg grating. Indeed, in this case, even if harmonics of order k greater than one hundred are discernible in its power spectrum, the wavelength ⁇ k of these harmonics is not in the domain of optics. In other words, the wavelengths ⁇ k of harmonics of order k greater than one hundred are all less than 200 nm. Conversely, the pitch of a very high order Bragg grating is greater than 20 pm or 50 pm and often greater than 100 pm. Under these conditions, the wavelength ⁇ B of the fundamental resonance frequency f B of the Bragg grating of very high order and the wavelengths of its harmonics of order less than one hundred, are not in the domain optics.
  • Standard Bragg grating patterns are commonly fabricated using pulses of ultraviolet radiation or CO 2 lasers and not pulses from a femtosecond laser. Bragg gratings fabricated without using pulses from a femtosecond laser exhibit only discernible harmonics of order less than twenty. It seems that this comes from the fact that the variations in the refractive index in the optical fiber obtained by implementing these other known processes are much less clear than those obtained using a femtosecond laser. Thus, a Bragg grating fabricated without using pulses from a femtosecond laser, even if it has a pitch greater than 20 pm or 50 pm, is not a very high order Bragg grating.
  • a Bragg grating should not be confused with a juxtaposition, along an optical fiber, of Fabry-Perrot cavities. Indeed, the spectral characteristics of an optical fiber comprising such a juxtaposition of Fabry-Perrot cavities depend on the lengths of each Fabry-Perrot cavity as well as the reflectivity of the diopters located at each end of each Fabry-Perrot cavity. Unlike a Bragg grating, the diopters are not spaced from each other at a constant pitch to form a periodic structure.
  • Bragg gratings are also frequently used, in the field of laser sources, to form the end diopters of a Fabry Perot cavity of this laser source.
  • the spectral response of this cavity is mainly determined by the length of the cavity and not by the spectral characteristics of the Bragg gratings used. More precisely, as taught in the LUO2022 article, the spectral characteristic of the Bragg gratings is then used to adjust the wavelength(s) of the laser source.
  • This use of very high order Bragg gratings in laser sources is far from the field of measuring a physical quantity. In particular, this usage does not teach that a high order Bragg grating can advantageously be used to produce a standard for a measuring device.
  • Standard 6 is also arranged so that the power spectrum of network 80 is constant despite variations in the conditions of use.
  • it comprises an insulating structure 82 which isolates the network 80 from variations in the external environment inside which the standard 6 is immersed.
  • the insulating structure 82 comprises a housing 84 inside which the network 80 is fixed without any degree of freedom.
  • the housing 84 isolates the network 80 from variations in mechanical stresses that the external environment may exert on the network 80.
  • the insulating structure 82 also includes, housed inside the housing 84:
  • controllable heating or cooling element 92 capable of heating or cooling the network 80
  • Element 92 is for example a Peltier module or a set of several Peltier modules.
  • the microcontroller 94 comprises a programmable microprocessor 96 and a memory 98 containing the data and instructions necessary for the operation of the standard 6.
  • the memory 98 includes the pre-recorded instruction Te and the instructions of a module 100 of enslavement.
  • Te the pre-recorded instruction
  • the microprocessor 96 controls the element 92 according to a difference between the setpoint Te and the temperature measured by the sensor 90 so as to reduce this difference.
  • Figure 3 represents in more detail an embodiment of the network 80.
  • the optical fiber 34 extends along a longitudinal axis 108 parallel to a direction Z of an orthogonal coordinate system XYZ.
  • Figures 3, 4 and 8 are oriented relative to this XYZ mark.
  • the Z direction is horizontal and the Y direction is vertical.
  • optical fiber 34 guides the optical signal along the longitudinal axis 108.
  • the optical fiber 34 comprises:
  • an optical sheath 112 made of a material whose refractive index makes it possible to maintain the optical signal inside the core 110 by reflection at the interface between the core 110 and this sheath 112, and
  • the network 80 is designed to obtain a comb of peaks over the working range. Furthermore, here, the network 80 is designed so that this comb is formed by the harmonics of the network 80 of order close to 1024.
  • the network 80 is composed of a succession of patterns Mi arranged one behind the other along the axis 108.
  • the index i is the order number of the pattern in the Z direction.
  • the index i of the first leftmost pattern in array 80 is equal to 1 and the index i of the last rightmost pattern in array 80 is equal to p.
  • p is equal to the number of patterns Mj of the network 80.
  • Figure 3 only the first two and the last two patterns of network 80 have been represented.
  • the presence of intermediate patterns located between patterns M 2 and M p .i is represented by small circles on axis 108.
  • the number p of patterns is greater than or equal to three and, preferably, greater than or equal to ten. Indeed, it has been observed that the larger the number p, the more the width at half-height of each peak decreases.
  • the number p is also chosen sufficiently small so that the length of the network 80 remains small, that is to say less than 1 meter and, preferably, less than 10 cm.
  • the length of the network 80 is equal to the distance between the patterns Mi and M p measured along the axis 108. Typically, the number p is less than 200 or 100.
  • the step A 80 between two immediately consecutive patterns Mi and M i+i in the direction Z is constant whatever the index i.
  • the step A 80 is therefore equal to the distance, along the axis 108, which separates two immediately consecutive patterns Mi and M i +i .
  • step A 80 is calculated so that the wavelength of a harmonic of order k c is equal to or very close to the center of the working range.
  • the order k c is chosen equal to 1024.
  • the step A 80 is between 0.9*[k c * ⁇ c/(2*n e )] and 1, 1 *[k c * ⁇ c/(2*n e )] and, preferably, between 0.98*[k c * ⁇ c/(2*n e )] and 1.02*[k c * ⁇ c/(2*n e )], where n e is the effective index of the optical fiber 34 and ⁇ c is the wavelength located in the center of the working range.
  • the wavelength ⁇ c is equal to 1550 nm.
  • the optical fiber 34 is made from an optical fiber marketed under the reference SMF-28 by the company Corning®.
  • the index n e of this optical fiber is equal to approximately 1.4676.
  • the term k c *Xc/(2*n e ) is equal to approximately 540.8 pm.
  • the step A 80 is chosen equal to 540.8 pm. With the choice of this value for step A 80 , only the harmonics of order between 317 and 7936 are in the optical domain and only the harmonics of order between 993 and 1058 are included in the working range .
  • the wavelength ⁇ B so of the fundamental frequency of the network 80 is not in the field of optics.
  • the number p of patterns is chosen less than 185.
  • p is chosen equal to 120, so that the length L 80 of network 80 is approximately equal to 65 mm.
  • the Mi motifs are all structurally identical to each other and differ from each other only by their position along axis 108. Thus, subsequently, only the Mj motif is described in detail.
  • This pattern Mj extends mainly in a plane Pi perpendicular to axis 108. This plane Pi is therefore parallel to the directions X and Y. In Figure 3, only the planes Pi, P 2 , P p -i and P p in which extend respectively, the patterns Mi, M 2 , M p .i and M p are represented.
  • Figure 4 shows in more detail an example of an embodiment of the pattern Mi. In Figure 4, only the cross section of the core 110 is shown.
  • Each Mi pattern reflects part of the incident optical signal. Another part of the incident optical signal passes through the pattern Mi. Finally, each pattern Mi diffuses part of the energy of the incident optical signal which is then neither reflected nor transmitted through this pattern Mi. This energy diffused by each pattern Mi creates insertion losses caused by the presence of the network 80 in the core 110 of the optical fiber 34.
  • the surface S Mi of the cross section of the pattern Mi occupies less than half of the surface Sno of the cross section of the core 110.
  • the surface S Mi is equal to the surface of the orthogonal projection of the pattern Mi on the plane Pi.
  • the surface Sno is equal to the surface of the cross section of the core 110. Typically, the surface Sno is constant along the entire length of the optical fiber 34.
  • the surface S Mi is less than O.1 *Sno or O.O5*Sno or O.O1 *Sno.
  • the surface Sli is less than O.O5*Sno.
  • the surface S Mi is greater than 0.016 pm 2 , that is to say greater twice the surface of the orthogonal projection of a spherical bubble of 100 nm in diameter on the plane Pi. In this embodiment, the surface S Mi is greater than or equal to 0.032 pm 2 .
  • the pattern Mi is made up of several bubbles B,.
  • the index j is an identifier which allows bubble B to be uniquely identified, among all the other bubbles of the same pattern Mi.
  • the index j is here an integer between 1 and q, where q is equal to the number of bubbles B, of the pattern Mi.
  • the number q is greater than or equal to two or four.
  • the number q is equal to six.
  • all bubbles B are structurally identical to each other. Only their positions in the Pi plane make it possible to distinguish them from each other.
  • Each bubble B creates a significant variation in the refractive index of the core 110 in the direction of propagation of the optical signal.
  • the difference between the refractive index n r no of the core 110 and the refractive index n® of the bubble Bj is greater than 0.3 or 0.4.
  • the interior of each bubble is empty or practically empty which corresponds to a difference between the indices n r no and n r B greater than or equal to 0.4.
  • the diameter D of each bubble Bj is less than 200 nm and, preferably, less than 100 nm. Generally, the diameter D, is also greater than 10 nm or 50 nm.
  • Each bubble B is mainly spherical.
  • the diameter Dj of the bubble Bj is equal to the diameter of the sphere of smallest volume which entirely contains the bubble Bj.
  • this diameter Dj is less than 100 nm.
  • the bubbles Bj are disjoint, that is to say they do not overlap and they are not fluidly connected to each other.
  • the pattern Mi is centered on axis 108.
  • the bubbles Bj are arranged next to each other so that the barycenter of the pattern Mj is located less than 100 nm from axis 108 and the center of at least one of the bubbles Bj is located less than 100 nm from axis 108.
  • the barycenter of the pattern Mj is located on axis 108.
  • the pattern Mi is symmetrical with respect to axis 108.
  • the centers of the bubbles Bj are located one behind the other on an axis Ai which intersects the axis 108 and which belongs to the plane Pi.
  • the pattern Mi therefore includes a line of disjoint bubbles.
  • the arrangement of the disjointed bubbles forms what is called a “dotted line” in this text.
  • the axis Ai is parallel to the direction Y.
  • the bubbles B 3 and B 4 are located, respectively, above and below the axis 108.
  • the centers of the bubbles B 3 and B 4 are less than 100 nm from axis 108.
  • Figure 5 shows the power spectrum of network 80 between 1545 nm and 1555 nm. The reflectivity of the peaks of the resulting comb reaches -21 dBm.
  • Figure 6 represents a process for manufacturing the optical fiber 34. This process begins with a step 120 of supplying an optical fiber whose core 110 is initially devoid of a Bragg grating.
  • the optical fiber supplied is the optical fiber marketed under the reference SMF-28 by the company Corning®.
  • the mechanical sheath of this optical fiber is transparent to the pulses of a femtosecond laser so that it is not necessary to remove this mechanical sheath at the locations where the Mi patterns must be produced.
  • the network 80 is manufactured in the core 110.
  • an operation 124 of forming the pattern Mi in the core 110 of the optical fiber provided is repeated at each location where such Mi pattern must be formed.
  • each bubble B is created by a single pulse from the femtosecond laser. More precisely, during operation 124, the femtosecond laser beam is focused on the center of the bubble B, to be created then a pulse with a duration of less than 500 fs or 250 fs is emitted and irradiates the point of the heart 110 where the center of bubble B should be located. Bubble B is then created in the core 110. Then, the optical fiber is moved relative to the femtosecond laser so that the beam of the femtosecond laser is now focused on the center of the next bubble B j+i to be created, then a new pulse of the femtosecond laser is emitted.
  • the bubbles B are therefore created one after the other.
  • the duration of each pulse of the femtosecond laser is equal to 160 fs
  • the power of each pulse of the femtosecond laser is equal to 45 nJ.
  • the unit 70 controls the source 50 to vary linearly, over time, the wavelength ⁇ s from the wavelength ⁇ S min to the length d wave At sm ax. For this purpose, the unit 70 sends to the source 50 a control signal generated from an estimate of the transfer function of the source 50.
  • optical signal emitted by the source 50 is guided by the coupler 52 and the optical fibers 22, 14, 42 and 34 to the transducer 4 and the standard 6.
  • the transducer 4 and the standard 6 then reflect part of the incident optical signal. These reflected parts of the optical signal correspond to the signals backscattered, respectively, by the transducer 4 and the standard 6.
  • the sensor 62 measures only the optical signal backscattered by the transducer 4 and the sensor 64 measures only the optical signal backscattered by the standard 6 More precisely, the sensors 62, 64 each generate an electrical signal whose amplitude is representative of the power of the measured optical signal. The electrical signals generated by the sensors 62, 64 are transmitted to the unit 70 which acquires them.
  • the unit 70 determines the amplitude A ⁇ .
  • the power of the optical signal backscattered by the transducer 4 passes through a maximum. Since the wavelength ⁇ s varies linearly with time, the instant t m at which this maximum occurs is proportional to the current value of the wavelength ⁇ Bm4. Likewise, the reference wavelength ⁇ &4 corresponds to a reference instant t.
  • the unit 70 calculates the difference between the measured time t m and the reference time t. Since the variation of the wavelength ⁇ s over time is linear, the difference t m -ti is proportional to the amplitude A ⁇ .
  • unit 70 determines A ⁇ from the difference measured between times t m and t
  • the unit 70 establishes the variation AG of the physical quantity measured from the amplitude A ⁇ .
  • the unit 70 establishes a new estimate of the transfer function of the source 50. For this, for example, the unit 70 records for each of the peaks of order k of the comb of the standard 6, the instant t k , m at which it occurs. Then, the unit 70 associates the instant recorded t k , m with the wavelength ⁇ k of this peak of order k. The association of the instant t k , m and the wavelength ⁇ k forms a point ( ⁇ k ; t k , m ) with abscissa ⁇ k and ordinate t k , m . The transfer function estimated for source 50 then corresponds to the curve which passes through all the points ( ⁇ k ; t k , m ) recorded for standard 6.
  • This estimated transfer function is then used during the next execution of step 130 to generate the control signal of the source 50 which makes it possible to obtain a linear variation, over time, of the length of wave ⁇ s with the target slope a c .
  • each instant t k , m is compared to a theoretical instant t k , t at which the peak of order k should have occurred if the variation of the wavelength ⁇ s was perfectly linear and with the slope a c .
  • the theoretical instant t k , t is therefore calculated from the wavelength ⁇ k of the peak of order k and the predetermined and known target slope a c .
  • the control signal is locally modified between the times t k . i,t and t k , t to limit the amplitude of this difference. For example, if the deviation t k , m - t k , t is positive, this means that time t k , m is late compared to time t k , t .
  • the control signal is modified between the times t k .i, t and t k , t to make the wavelength ⁇ s increase more quickly between these times t k .i, t and t k , t .
  • the difference t k , m - t k , t is negative, this means that the time t k , m is ahead of the time t k , t .
  • the control signal is modified between the times t k .i , t and t k , t to make the wavelength ⁇ s grow more slowly between these times t k .i , t and t k , t .
  • the measured spectrum of standard 6 is used to linearize the variation, over time, of the wavelength ⁇ s .
  • This linearization makes it possible to improve the precision of the measurement and also makes it possible to compensate for drifts of the source 50. It is therefore in this way that the measurement of the spectrum of the standard 6 intervenes in the determination of the amplitude A ⁇ .
  • Figure 8 represents a standard 150 that can be used in place of standard 6.
  • Standard 150 is identical to standard 6 except that a second Bragg grating 152 is produced in the optical fiber 34.
  • a second Bragg grating 152 is produced in the optical fiber 34.
  • core 110 and the networks 80 and 152 are represented.
  • the grating 152 is a standard Bragg grating whose wavelength ⁇ B 152 of its fundamental frequency is located within the working range.
  • the absolute value of the wavelength ⁇ B 152 is known.
  • the patterns of the network 152 are shaped so that the amplitude of the power peak of the network 152 at the wavelength ⁇ Bi5 2 is greater, and preferably 1.5 times or twice greater, than the amplitude of the peaks of the network comb 80 in the working range.
  • the network 152 is, for example, produced in the core 110 at the same location as the network 80 but offset radially with respect to the network 80 so that its patterns do not interfere with the patterns of the network 80.
  • the network 152 is produced in the upper part of the core 110 while the network 80 is produced in the lower part of the core 110.
  • the upper part of the core 110 is that located above a horizontal plane containing the axis 108 and the lower part is that located below this horizontal plane.
  • the power spectrum of the standard 150 is equal to the superposition of the spectrum of the network 80 and the spectrum of the network 152.
  • the spectrum of the standard 150 includes, in addition to the comb of peaks, an additional peak at the wavelength ⁇ Bi5 2. This additional peak is easily identifiable because its amplitude is greater than the amplitude of the peaks of the comb of the network 80.
  • the unit 70 is modified to additionally determine the absolute values of the wavelengths corresponding to each of the peaks of the comb of the network 80. For this, the unit 70 identifies the largest power peak, that is to say that corresponding to network 152, in the measured spectrum of standard 150. The absolute value of the wavelength at which this largest peak appears in the power spectrum of the 150 standard is known and equal to the length of wave A B 152. The positions of the peaks of the comb of the network 80 relative to the largest peak are determined from the measured spectrum of the standard 150. Then, for each peak of the comb of the network 80, the unit 70 determines the absolute value of the wavelength corresponding to this peak from:
  • the unit 70 is then capable of estimating a transfer function for the source 50 which, with a particular value of the control signal, associates an absolute value of the wavelength ⁇ s . This simplifies the generation of a control signal that linearly varies the wavelength ⁇ s as a function of time. It is also possible, in this case, to directly establish the absolute value of the wavelength ⁇ Bm 4. Then, the unit 70 establishes the absolute value of the physical quantity to be measured from a known relationship between the absolute value of the wavelength ⁇ Bm4 and the absolute value of the physical quantity.
  • the order k c of the harmonic which is at the center of the working range is here greater than 100 and, preferably, chosen greater than 500 or 1000.
  • This order k c can also be chosen greater than 2000 or 4000 or 10000.
  • there is no upper limit for this order k c .
  • this maximum length is set at 1 m.
  • step A is greater than 20 pm and, typically, greater than 50 pm so that very high order harmonics are included in the field of optics.
  • step A there is no maximum value for the step A. Indeed, whatever the value retained for step A, it is possible to find a value for the order k c which makes it possible to place the wavelength ⁇ c at the center of the working range. However, the larger the step A, the longer the Bragg grating. In practice, it is therefore also the maximum length desired for the Bragg grating which imposes an upper limit for the value of step A.
  • the working range can be wider than 100 nm.
  • the width of this working range is, alternatively, greater than 200 nm or 300 nm.
  • each pattern of the very high order Bragg grating produced in the core of the optical fiber can have different shapes.
  • each pattern has a single bubble.
  • each pattern has the shape of an ellipse.
  • Optical fibers other than SMF-28 fiber can be used.
  • the optical fiber may be a multimode optical fiber or MMF (Multi-Mode Fiber).
  • optical fibers whose core is made of germanosilicates, pure silica, aluminosilicates doped with rare earths or sapphire.
  • the characteristics of the optical fiber 34 in which the standard 6 is produced are different from the characteristics of the optical fiber 14 so that the sensitivity of the standard to variations in the physical quantity at measured is less than the sensitivity of the optical transducer 4 to these same variations of the physical quantity.
  • the network 80 can be isolated from variations in mechanical constraints by implementing the teaching of request FR3087008A1.
  • the insulating structure can also be designed to isolate the network 80 from variations in hydrostatic pressure.
  • the insulating structure is not an active insulating structure but a passive insulating structure, that is to say an insulating structure which does not consume electrical energy to insulate the optical fiber 34 variations in the external environment.
  • a passive insulating structure comprises a material with a very low coefficient of thermal expansion on which the optical fiber is fixed without any degree of freedom.
  • this material with a very low thermal expansion coefficient has a thermal expansion coefficient of less than 5*10' 6 K' 1 .
  • this material is an alloy of iron and nickel such as the Fe-Ni alloy with 36 atomic% of Nickel. This alloy is known as Invar®.
  • the optical fiber is buried inside a material whose thermal conductivity is less than 0.05 W/m/K.
  • the insulating structure comprises a material which exerts a mechanical stress on the optical fiber which compensates for the effect of thermal expansion of this optical fiber in response to a variation in temperature.
  • the housing 82 can be omitted in particular if the mechanical stress exerted by the external environment on the network 80 cannot vary or varies only in a negligible manner.
  • the optical transducer does not necessarily include a Bragg grating.
  • the optical transducer includes a Fabry Pérot interferometer instead of the Bragg grating.
  • a Fabry Pérot interferometer presents a power spectrum comprising a peak whose position varies depending on the temperature, the elongation stress and the hydrostatic pressure exerted on this Fabry Pérot cavity .
  • Such a Fabry Pérot interferometer can be produced in the core of an optical fiber.
  • the optical transducer is a gas cell whose transmission power spectrum presents an absorption line. The position of this absorption line in the power spectrum varies, for example, as a function of temperature.
  • the optical transducer is a Bragg grating
  • the power spectrum of the optical transducer is shifted in response to a variation in temperature, a longitudinal deformation of the core of the optical fiber or a variation in hydrostatic pressure.
  • all of the preceding embodiments can be adapted to measure a physical quantity chosen from the group consisting of temperature, a longitudinal deformation of the core of the optical fiber and a variation in hydrostatic pressure. Using the measurement of one of these physical quantities, it is possible to deduce measurements for other physical quantities such as vibrations, acceleration or even to detect acoustic waves.
  • the measured physical quantity can also be another physical quantity than temperature, longitudinal strain and hydrostatic pressure.
  • the optical transducer may be sensitive to this other physical quantity.
  • the optical transducer may be sensitive to a radiation dose.
  • the core of the optical fiber 14 is made of a photosensitive material.
  • this heart is made of germanosilicate.
  • a Bragg grating is manufactured in the core of the optical fiber 14.
  • this Bragg grating is transformed into a Bragg grating sensitive to a dose of the radiation to be measured.
  • this manufactured Bragg grating is exposed to ultraviolet radiation to create colored centers resulting from the recombination of bonds between germanium and silica. When they are subjected to a dose of the radiation to be measured, these colored centers are modified, leading to a shift in the wavelength ⁇ Bm 4 of the Bragg grating of the optical transducer.
  • the optical transducer comprises a succession of several Bragg gratings produced one after the other in the core of the same optical fiber.
  • the wavelengths ⁇ B i4 of each of these Bragg gratings are different. Thanks to this, the same optical transducer makes it possible to measure the physical quantity at different locations.
  • the power spectrum of the optical transducer then includes several power peaks in the working range.
  • the measuring device comprises several optical transducers optically connected in parallel to the spectral analyzer. Such a configuration of several optical transducers is for example illustrated in application CN102879022A.
  • the optical transducer is not made in the optical fiber 14 but simply optically connected to the distal end of the optical fiber 14.
  • the optical transducer is a Fabry Pérot cavity formed between two reflecting mirrors and these mirrors are produced outside the optical fiber 14.
  • the optical source is not tunable.
  • the optical source is a wide laser source, that is to say a laser source which emits an optical signal whose power spectrum simultaneously covers the entire working range.
  • the optical signal emitted is not single-frequency.
  • the spectral analyzer then comprises a plurality of photodetectors which simultaneously measure the power of the spectral response for a large number of different wavelengths.
  • each sensor 62, 64 is an array spectrometer. In such an embodiment, it is not necessary to vary the wavelength ⁇ s to scan the entire working range. The estimation of the transfer function of the laser source can then be omitted.
  • the optical source is not necessarily a laser source.
  • the optical source can also be produced using a tunable Fabry Pérot cavity.
  • the control signal causes the movement of at least one of the diopters of this Fabry Pérot cavity. This movement of a diopter then causes a modification of the natural resonance frequency of the cavity and therefore a modification of the wavelength ⁇ s .
  • the amplitude A ⁇ can also be determined without using the time difference tm-tj.
  • the amplitude A ⁇ is determined by counting the number of peaks in the spectrum of the standard located between the wavelength ⁇ Bi4 and the measured wavelength ⁇ Bm 4. Such a method is for example described in the “Absolute Frequency Measurement” chapter of application W02020113147A1.
  • the transfer function estimated for the source 50 is used to correct the wavelength ⁇ Bm 4 so as to obtain a corrected wavelength closer to reality.
  • - ⁇ k and t k , m are, respectively, the abscissa and the ordinate of the point ( ⁇ k ; t k , m ) of the transfer function estimated during step 140 for which t k , m immediately precedes the instant t m measured during step 134, and
  • - ⁇ k+i and t k+ i,m are, respectively, the abscissa and the ordinate of the point ( ⁇ k+i ; t k+ i, m ) of the transfer function estimated during step 140 for which t k+ i, m immediately follows time t m .
  • a linear interpolation of the transfer function is carried out between two successive points ( ⁇ k ; t k , m ) and ( ⁇ k+i ; t k+ i, m ).
  • a non-linear interpolation of the transfer function between these two points is also possible.
  • the unit 70 only determines the variation of the measured physical quantity and not its absolute value. In this case, it is not necessary to know the value of the measured physical quantity corresponding to the wavelength ⁇ Bi4 .
  • the spectral response of the standard 6 is first measured and only then is the spectral response of the optical transducer 4 measured.
  • an optical switch is first placed in a calibration position in which it optically connects the spectral analyzer 20 only to the standard 6 to measure the spectral response of the standard. Then, this optical switch is switched to a measurement position in which it optically connects the spectral analyzer 20 only to the optical transducer 4 to measure the spectral response of the optical transducer.
  • the spectral response of the standard 6 is then only measured intermittently and not each time that the spectral response of the optical transducer 4 is measured.
  • the optical signal which illuminates the standard 6 is not necessarily strictly identical to the optical signal which illuminates the optical transducer 4 since they are emitted at two different times.
  • at least one of the optical sensors and, preferably, the two optical sensors are connected to the distal end of the optical fibers 14 and 34.
  • the spectral analyzer 20 measures the optical signals which passed through the transducer 4 and the standard 6. Therefore, the power spectra of the measured signals are power spectra in transmission and not in reflection.
  • everything that has been described in the particular case of power spectra in reflection adapts, without particular difficulty, to the case of power spectra in transmission.
  • optical couplers 12, 32 and 52 can be replaced by a single multi-channel optical coupler which alone fulfills the functions of these three optical couplers 12, 32 and 52.
  • the waveguide is not necessarily an optical fiber. Everything that is described in this text in the particular case of optical fibers also applies to the case where the waveguides are waveguides produced on a photonic chip.
  • the core of each waveguide is made of monocrystalline silicon or another semiconductor material and the sheath is made of a material commonly used in the field of silicon optics such as silicon oxide.
  • the wavelength ⁇ c of the peak of order k c is between 200 nm and 5000 nm also applies to the case where the wavelength ⁇ c is between 5000 nm and 10000 nm and, in particular, in the case where the wavelength ⁇ c is included in the infrared range.
  • the core of the optical fiber is for example made of chalcogenide glass.
  • a very high order Bragg grating makes it possible to obtain a comb of peaks using a single Bragg grating and not a succession of several Bragg gratings as described in application CN102879022A.
  • the standard described in the previous chapters is simpler to produce and less cumbersome.
  • a very high order Bragg grating makes it possible to obtain a comb of peaks identical to those obtained using a Fabry Pérot cavity such as that described in application W02020113147A1.
  • the very high order Bragg grating is simpler to manufacture and has a smaller footprint.
  • a measuring device comprising a standard manufactured using a very high order Bragg grating is, with equal performance, simpler to manufacture.
  • the standard 150 also includes a Bragg grating 152 whose wavelength ⁇ B 152 is located within the working range, makes it possible to identify the absolute value of the length d wave associated with each peak of the comb of the network 80. It is therefore possible to measure the absolute value of the wavelength at which the power peak of the optical transducer 4 occurs and therefore to thus go back to an absolute value of the physical quantity measured.

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Abstract

Ce dispositif de mesure comporte un étalon (6) dont le spectre de puissance en réflexion comporte plusieurs pics de puissance répartis à l'intérieur d'une plage de travail, l'intervalle spectrale libre de cet étalon étant inférieur ou égal à 5 nm, cet étalon comportant : - un guide d'onde (34), et - un réseau de Bragg (80) réalisé dans le guide d'onde, ce réseau de Bragg comportant au moins trois motifs identiques alignés les uns derrières les autres le long d'un axe longitudinal du guide d'onde et séparés les uns des autres par un pas constant. Le pas du réseau de Bragg (80) est configuré pour que son spectre de puissance présente plusieurs harmoniques discernables d'ordre supérieur à cent dans la plage de travail, ces harmoniques formant ainsi les pics de puissance du spectre de puissance de l'étalon.

Description

Dispositif de mesure d’une grandeur physique
[1] L’invention concerne un dispositif de mesure d’une grandeur physique ainsi qu’un étalon 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] Un exemple d’un tel dispositif connu de mesure est décrit dans la demande CN102879022A. Ce dispositif connu comporte un étalon et un transducteur optique. Le transducteur optique permet de transformer une variation de la grandeur physique à mesurer en un déplacement d’un pic de puissance du spectre de puissance du transducteur optique. L’étalon permet de générer un spectre de puissance de référence qui est utilisé pour corriger la mesure et donc pour améliorer la précision de cette mesure.
[4] Pour cela, le spectre de puissance de l’étalon comporte une succession de pics de puissance très rapprochés dans une plage de travail prédéterminée.
[5] A ce jour, de nombreux modes de réalisation d’un tel étalon ont été proposés. Par exemple, il a été proposé de réaliser un tel étalon à l’aide d’une cavité de Fabry Pérot dont les dioptres sont des miroirs raccordés aux extrémités d’une 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 de l’étalon sont fins et la précision du dispositif de mesure est élevée. Toutefois, la fabrication d’une telle cavité de Fabry Perot est complexe notamment car il faut raccorder des miroirs aux extrémités d’une fibre optique. Un exemple d’un tel mode de réalisation d’un étalon est décrit dans la demande W02020113147A1 .
[6] Dans la demande CN102879022A, il est proposé de réalisé l’étalon en gravant dans le cœur d’une fibre optique une succession de réseaux de Bragg situés les uns après les autres. La longueur d’onde ÀB de la fréquence fondamentale fB de résonance de chacun de ces réseaux de Bragg est différente de celle des autres réseau de Bragg. Toutefois, les largeurs des pics de puissance de l’étalon de la demande CN102879022A sont généralement moins fins que ceux obtenus à l’aide d’un étalon telle que celui de la demande W02020113147A1 . De plus, une telle succession de réseaux de Bragg est complexe à réaliser et conduit souvent à un étalon assez long et donc encombrant.
[7] De l’état de la technique est également connu de US2019/178688A1 et US2020/271485A1.
[8] L’invention vise à proposer un dispositif de mesure d’une grandeur physique qui présente une précision élevée et qui soit, en même temps, simple à fabriquer.
[9] L’invention est exposée dans le jeu de revendications joint.
[10] 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 dispositif de mesure d’une grandeur physique,
- la figure 2 est une illustration schématique d’un étalon du dispositif de mesure de la figure 1 ,
- la figure 3 est une illustration schématique, partielle et en coupe longitudinale, d’un réseau de Bragg utilisé dans l’étalon de la figure 2,
- la figure 4 est une illustration schématique, en coupe transversale, d’un motif du réseau de Bragg de la figure 3,
- la figure 5 est un graphe représentant une portion du spectre de puissance du réseau de Bragg de la figure 3,
- la figure 6 est un organigramme d’un procédé de fabrication du réseau de Bragg de la figure 3,
- la figure 7 est un organigramme d’un procédé de mesure d’une grandeur physique à l’aide du dispositif de la figure 1 , et
- la figure 8 est une illustration schématique, partielle et en coupe longitudinale, d’un autre mode de réalisation d’un étalon pour le dispositif de mesure de la figure 1 .
[11] 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.
[12] 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.
[13] Chapitre I : Exemples de modes de réalisation
[14] La figure 1 représente un dispositif 2 de mesure d’une grandeur physique. Par exemple, ici, la grandeur physique à mesurer est une température d’un milieu extérieur.
[15] Le dispositif 2 comporte un transducteur optique 4 et un étalon 6. Le transducteur 4 est exposé aux variations de la grandeur physique à mesurer.
[16] Le transducteur 4 transforme une variation de la grandeur physique à mesurer en un déplacement d’un pic de puissance de son spectre de puissance. Dans ce texte, à défaut d’indication contraire, le terme « spectre de puissance » ou « spectre » désigne le spectre de puissance en réflexion. Le spectre de puissance en réflexion est le spectre de puissance du signal optique réfléchi par un composant optique. Un pic dans le spectre de puissance en réflexion correspond à une raie d’absorption dans le spectre de puissance en transmission du même composant optique.
[17] Le spectre de puissance du transducteur 4 comporte, par exemple, un seul pic de puissance dans une plage de travail prédéterminée. Cette plage de travail a une largeur supérieure à 5 nm. Typiquement, sa largeur est également inférieure ou égale à 200 nm ou 120 nm. Ici, la largeur de la plage de travail est égale à 100 nm. La plage de travail est située à l’intérieur du domaine de l’optique. Le domaine de l’optique désigne la plage contenant les 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 400 nm à 2000 nm.
[18] Par exemple, le transducteur 4 est identique ou similaire à celui décrit dans la demande CN102879022A. Le transducteur 4 est donc ici un réseau de Bragg qui est réalisé dans le cœur d’une fibre optique 14. La longueur d’onde ÀB4 de la fréquence fondamentale fB4 de ce réseau de Bragg est située à l’intérieur de la plage de travail prédéterminée. De préférence, la longueur d’onde ÀB4 est située sensiblement au milieu de la plage de travail. La longueur d’onde de la fréquence fondamentale d’un réseau de Bragg est donnée par la relation (1 ) suivante : ÀB = 2*ne*A, où :
- ÀB est la longueur d’onde de la fréquence fondamentale du réseau de Bragg,
- ne est l’indice effectif de la fibre optique à l’intérieur de laquelle le réseau de Bragg est réalisé, - A est le pas du réseau de Bragg, et
- le symbole « * » désigne l’opération de multiplication scalaire dans ce texte.
[19] L'indice effectif ne de propagation est aussi connu sous le nom de « constante de phase du mode ». Il est défini par la relation suivante : ng = ne - Àdne/dÀ, où ng est l'indice de groupe et À est la longueur d'onde du signal optique guidé par la fibre optique. 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.
[20] L’étalon 6 présente un spectre de puissance en réflexion comportant plusieurs pics de puissance répartis à l’intérieur de la plage de travail. L’intervalle spectrale libre de cet étalon sur la plage de travail est inférieur ou égal à 5 nm et, de préférence, inférieur ou égal à 1 nm. Par la suite, une telle succession de pics est aussi appelée « un peigne de pics » ou simplement « un peigne ». Contrairement au transducteur 4, l’étalon 6 est configuré pour que son spectre de puissance soit constant. En particulier, l’étalon 6 est agencé pour que son spectre de puissance ne se déplace pas en fonction de la grandeur physique mesurée ni en fonction de variations d’autres grandeurs physiques du milieu extérieur dans lequel l’étalon 6 est plongé. En particulier, l’étalon 6 est agencé pour que son spectre de puissance ne se déplace pas en fonction de la température du milieu extérieur. Dans ce texte, « ne se déplace pas » signifie que l’amplitude du déplacement du spectre de puissance de l’étalon 6 est négligeable devant l’amplitude AÀ du déplacement du spectre de puissance du transducteur 4 observée dans le même temps. Ici, l’amplitude du déplacement du spectre de puissance de l’étalon 6 est considérée comme négligeable si elle est dix ou cent fois inférieure à l’amplitude AÀ.
[21] Le transducteur 4 est optiquement raccordé à un port 10 d’entrée/sortie d’un coupleur optique 12 par l’intermédiaire du guide d’onde 14. Le coupleur optique 12 comporte :
- un port 16 d’entrée optiquement raccordé à un port 18 de sortie d’un analyseur spectral 20 par l’intermédiaire d’un guide d’onde 22, et
- un port 24 de sortie optiquement raccordé à un port 26 d’entrée de l’analyseur spectral 20 par l’intermédiaire d’un guide d’onde 28. [22] L'étalon 6 est optiquement raccordé à un port 30 d’entrée/sortie d’un coupleur optique 32 par l’intermédiaire d’un guide d’onde 34. Le coupleur optique 32 comporte :
- un port 36 d’entrée optiquement raccordé à un port 38 de sortie de l’analyseur spectral 20 par l’intermédiaire d’un guide d’onde 42, et
- un port 44 de sortie optiquement raccordé à un port 46 d’entrée de l’analyseur spectral 20 par l’intermédiaire d’un guide d’onde 48.
[23] Dans ce mode de réalisation, tous les guides d’onde ci-dessus sont des fibres optiques respectives. Ainsi, par la suite, les mêmes références numériques sont utilisées pour désigner le guide d’onde ou la fibre optique. Ici, les fibres optiques utilisées sont des fibres optiques monomodes également connues sous l’acronyme SMF (« Simple Mode Fiber »).
[24] L’analyseur spectral 20 est capable de mesurer les réponses spectrales du transducteur 4 et de l’étalon 6 puis de déterminer la variation de la grandeur physique à mesurer à partir de ces réponses spectrales mesurées. Pour cela, il comporte :
- une source laser accordable 50,
- un coupleur optique 52 qui raccorde optiquement un port 54 de sortie de la source laser 50, simultanément, aux deux ports de sortie 18 et 38,
- deux capteurs optiques 62 et 64 optiquement raccordés, respectivement, aux ports d’entrée 26 et 46 pour mesurer la puissance du signal optique reçu sur ces ports d’entrée, et
- une unité électronique 70 de traitement électriquement raccordée aux capteurs 62, 64 pour recevoir des signaux électriques représentatifs des puissances des signaux optiques mesurés par, respectivement, les capteurs 62 et 64.
[25] La source laser 50 émet, en direction du transducteur 4 et de l’étalon 6, un signal optique mono-fréquence par l’intermédiaire du port 54. La longueur d’onde Às du signal optique émis est dans le domaine de l’optique. La valeur de la longueur d’onde Às dépend d’un signal de commande reçu sur un port 66 de commande de la source laser 50. Plus précisément, la longueur d’onde Às est reliée à la valeur du signal de commande par une fonction de transfert qui, à chaque valeur du signal de commande, associe une valeur correspondante de la longueur d’onde Às. Typiquement, cette fonction de transfert n’est pas parfaitement linéaire. Dans ce cas, elle est dite « non- linéaire ». Une telle source laser 50 est également appelée « source laser à balayage ». En effet, moyennant l’utilisation d’un signal de commande approprié, la longueur d’onde Às balaye toute la plage de travail. Ici, la plage de travail est une plage de longueurs d’onde qui s’étend de la longueur d’onde ÀSmin à la longueur d’onde Àsmax. La largeur de la plage de travail est typiquement déterminée par les caractéristiques de la source 50. La largeur de la plage de travail est égale à la différence À smax “ Àsmin- Dans ce mode de réalisation, cette plage de travail s’étend de 1500 nm à 1600 nm.
[26] Le capteur 62 mesure le signal optique rétro-diffusé par le transducteur 4. En parallèle, le capteur 64 mesure le signal optique rétro-diffusé par l’étalon 6. Ici, les capteurs 62 et 64 sont identiques. Par exemple, les capteurs 62 et 64 sont chacun une photodiode. Chacun des capteurs 62, 64 présente une plage spectrale d’observation qui englobe la plage de travail.
[27] L’unité 70 est notamment configurée pour :
- déterminer l’amplitude AÀ du déplacement du pic du transducteur 4 à partir des réponses spectrales du transducteur 4 et de l’étalon 6 mesurées séparément l’une de l’autre par les capteurs, respectivement, 62 et 64, puis
- établir une variation de la grandeur physique à mesurer à partir de l’amplitude AÀ déterminée.
[28] Pour réaliser ces opérations, l’unité 70 comporte un microprocesseur programmable 72 et une mémoire 74 contenant les données et les instructions nécessaires au fonctionnement de l’analyseur spectral 20. Par exemple, ici, la mémoire comporte un coefficient SG de sensibilité qui permet d’établir la variation de la grandeur physique à partir de l’amplitude AÀ déterminée. Dans cet exemple, le coefficient SG est défini par la relation suivante AÀ/ÀBi4 = SG*AG, OÙ :
- ÀBi4 est la longueur d’onde de la fréquence fondamentale du réseau de Bragg du transducteur 4 dans un état de référence, et
- AÀ est l’amplitude de la variation de la longueur d’onde de la fréquence fondamentale du réseau de Bragg du transducteur 4 obtenue en réponse à une variation AG de la grandeur physique à mesurer.
[29] La longueur d’onde ÀB>4 correspond, ici, à une longueur d’onde de référence pour le pic de puissance du transducteur 4. L’amplitude AÀ est égale à l’écart entre la longueur d’onde ÀBm4 de la fréquence fondamentale mesurée pour le transducteur 4 et la longueur d’onde ÀBi4 de référence. Contrairement à la longueur d’onde ÀBi4, la longueur d’onde ÀBm4 varie en fonction de la grandeur physique à mesurer. La valeur de la longueur d’onde ÀBi4 est enregistrée dans la mémoire 74. Cette longueur d’onde ÀBi4 peut aussi être associée, dans la mémoire 74, à une valeur absolue correspondante de la grandeur physique à mesurer.
[30] Habituellement, l’unité 70 est également raccordée à une interface homme- machine 76 pour communiquer le résultat des mesures réalisées à un être humain.
[31] La figure 2 représente plus en détail l’architecture de l’étalon 6. L’étalon 6 comporte un réseau de Bragg 80 réalisé dans le cœur de la fibre optique 34. Le réseau 80 est un réseau de Bragg d’ordre très élevé.
[32] Dans ce texte, « ordre très élevé » désigne le fait que le spectre de puissance du réseau de Bragg présente des harmoniques discernables d’ordre supérieur à N dans le domaine de l’optique et, plus précisément, dans la plage de travail, 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 chacun 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 Àk définie par la relation (2) suivante : Àk = 2*ne*A/k, où :
- k est un nombre entier égal à l’ordre de l’harmonique,
- ne est l’indice effectif de la fibre optique dans laquelle est réalisée le réseau de Bragg d’ordre très élevé,
- A est le pas du réseau de Bragg d’ordre très élevé.
[33] Ici, ce pic d’ordre k est situé à l’intérieur de la plage de travail.
[34] Le spectre de puissance du réseau 80, à l’intérieur de la plage de travail, comporte une succession de pics correspondant chacun à un harmonique d’ordre supérieur à N. Ces pics sont très rapprochés et très fins. Dans ce texte, « très rapproché » signifie que l’intervalle spectrale libre est inférieur à 5 nm et, de préférence, inférieur ou égal à 1 nm. « très fins » signifie que la largeur à mi-hauteur de chaque pic est inférieure à l’intervalle spectral libre et, de préférence, deux fois inférieure à l’intervalle spectrale libre. De plus, les hauteurs de ces pics sont sensiblement les mêmes sur toute la plage de travail car chacun de ces pics correspond à un harmonique d’ordre très élevé. Autrement dit, le spectre de puissance d’un réseau 80 est un peigne de pics tels que précédemment défini. Un exemple d’un tel peigne est représenté sur la figure 3 de 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 « LUO2022 »..
[35] 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 ÀB de la fréquence fondamentale fB 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.
[36] 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 Àk de ces harmoniques n’est pas dans le domaine de l’optique. Autrement dit, les longueurs d’onde Àk 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 ÀB de la fréquence fondamentale fB 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.
[37] 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. [38] 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.
[39] 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 d’ordre très élevé dans les sources laser est éloigné du domaine de la mesure d’une grandeur physique. En particulier, cet usage n’enseigne pas qu’un réseau de Bragg d’ordre élevé peut avantageusement être utilisé pour réaliser un étalon d’un dispositif de mesure.
[40] L’étalon 6 est aussi agencé pour que le spectre de puissance du réseau 80 soit constant et cela malgré des variations dans les conditions d’utilisation. A cet effet, il comporte une structure isolante 82 qui isole le réseau 80 des variations du milieu extérieur à l’intérieur duquel l’étalon 6 est plongé. Dans ce mode de réalisation, la structure isolante 82 comporte un boîtier 84 à l’intérieur duquel le réseau 80 est fixé sans aucun degré de liberté. Le boîtier 84 isole le réseau 80 des variations des contraintes mécaniques que le milieu extérieur peut exercer sur le réseau 80.
[41] La structure isolante 82 comporte aussi, logé à l’intérieur du boîtier 84 :
- un capteur 90 de température,
- un élément 92 chauffant ou refroidissant commandable apte à chauffer ou à refroidir le réseau 80, et
- un microcontrôleur 94 configuré pour commander l’élément chauffant en fonction d’une consigne Te de température et de la température mesurée par le capteur 90 pour limiter les variation de température du réseau 80 autour de cette consigne Te. [42] L’élément 92 est par exemple un module Peltier ou un ensemble de plusieurs modules Peltier.
[43] Le microcontrôleur 94 comporte un microprocesseur programmable 96 et une mémoire 98 contenant les données et les instructions nécessaires au fonctionnement de l’étalon 6. Ici, la mémoire 98 comporte la consigne Te pré-enregistrée et les instructions d’un module 100 d’asservissement. Lorsque le module 100 est exécuté par le microprocesseur 96, la température du réseau 80 est asservie sur la consigne Te enregistrée dans la mémoire 98. Pour cela, le microprocesseur 96 commande l’élément 92 en fonction d’un écart entre la consigne Te et la température mesurée par le capteur 90 de manière à réduire cet écart.
[44] La figure 3 représente plus en détail une mode de réalisation du réseau 80. La fibre optique 34 s’étend le long d’un axe longitudinal 108 parallèle à une direction Z d’un repère orthogonal XYZ. Les figures 3, 4 et 8 sont orientées par rapport à ce repère XYZ. Par exemple, la direction Z est horizontale et la direction Y est verticale.
[45] Pour simplifier la figure 3, seule la portion de la fibre optique 34 qui contient le réseau 80 est représentée. La fibre optique 34 guide le signal optique le long de l’axe longitudinal 108.
[46] La fibre optique 34 comporte :
- un cœur 110 dans lequel se propage le signal optique guidé par cette fibre 34,
- une gaine optique 112 réalisée dans un matériau dont l’indice de réfraction permet de maintenir le signal optique à l’intérieur du cœur 110 par réflexion au niveau de l’interface entre le cœur 110 et cette gaine 112, et
- une gaine mécanique, typiquement en polymère, et qui recouvre la gaine 112.
Pour simplifier la figure 3, la gaine mécanique de la fibre optique 34 n’a pas été représentée.
[47] Le réseau 80 est conçu pour obtenir un peigne de pics sur la plage de travail. De plus, ici, le réseau 80 est conçu pour que ce peigne soit formé par les harmoniques du réseau 80 d’ordre proche de 1024.
[48] A cet effet, le réseau 80 est composé d’une succession de motifs Mi disposés les uns derrière les autres le long de l’axe 108. 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 80 est égal à 1 et l’indice i du dernier motif le plus à droite dans le réseau 80 est égal à p. p est égal au nombre de motifs Mj du réseau 80. Sur la figure 3, seuls les deux premiers et les deux derniers motifs du réseau 80 ont été représentés. La présence des motifs intermédiaires situés entre les motifs M2 et Mp.i est représentée par des petits cercles sur l’axe 108.
[49] 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 80 reste petite, c’est-à-dire inférieure à 1 mètre et, de préférence, inférieure à 10 cm. La longueur du réseau 80 est égale à la distance entre les motifs Mi et Mp mesurée le long de l’axe 108. Typiquement, le nombre p est inférieur à 200 ou 100.
[50] Le pas A80 entre deux motifs Mi et Mi+i immédiatement consécutifs dans la direction Z est constant quel que soit l’indice i. Le pas A80 est donc égal à la distance, le long de l’axe 108, qui sépare deux motifs Mi et Mi +i immédiatement consécutifs.
[51 ] Ici, le pas A80 est calculé pour que la longueur d’onde d’un harmonique d’ordre kc soit égale ou très proche du centre de la plage de travail. Ici, l’ordre kc est choisi égal à 1024.
[52] Pour cela, le pas A80 est compris entre 0,9*[kc*Àc/(2*ne)] et 1 , 1 *[kc*Àc/(2*ne)] et, de préférence, compris entre 0,98*[kc*Àc/(2*ne)] et 1 ,02*[kc*Àc/(2*ne)], où ne est l’indice effectif de la fibre optique 34 et Àc est la longueur d’onde située au centre de la plage de travail. Ici, la longueur d’onde Àc est égale à 1550 nm.
[53] A titre d’exemple, la fibre optique 34 est réalisée à partir d’une fibre optique commercialisée sous la référence SMF-28 par la société Corning®. L’indice ne de cette fibre optique est égal à environ 1 ,4676. Dans ces conditions, le terme kc*Xc/(2*ne) est égal à approximativement 540,8 pm. Ici, le pas A80 est choisi égal à 540,8 pm. Avec le choix de cette valeur pour le pas A80, seuls les harmoniques d’ordre compris entre 317 et 7936 sont dans le domaine de l’optique et seuls les harmoniques d’ordre compris entre 993 et 1058 sont compris dans la plage de travail. En particulier, la longueur d’onde ÀBso de la fréquence fondamentale du réseau 80 n’est pas dans le domaine de l’optique.
[54] Pour cette valeur du pas A80 et pour que la longueur L80 du réseau 80 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 L80 du réseau 80 est approximativement égale à 65 mm. [55] 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 108. Ainsi, par la suite, seul le motif Mj est décrit en détail. Ce motif Mj s’étend principalement dans un plan Pi perpendiculaire à l’axe 108. Ce plan Pi est donc parallèle aux directions X et Y. Sur la figure 3, seuls les plans Pi, P2, Pp-i et Pp dans lesquels s’étendent respectivement, les motifs Mi, M2, Mp.i et Mp sont représentés.
[56] La figure 4 représente plus en détail un exemple de réalisation du motif Mi. Sur la figure 4, seule la section transversale du cœur 110 est représentée.
[57] 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 80 dans le cœur 110 de la fibre optique 34. Pour minimiser ces pertes d’insertion, ici, la surface SMi de la section transversale du motif Mi occupe moins de la moitié de la surface Sno de la section transversale du cœur 110. La surface SMi est égale à la surface de la projection orthogonale du motif Mi sur le plan Pi. La surface Sno est égale à la surface de la section transversale du cœur 110. Typiquement, la surface Sno est constante le long de toute la longueur de la fibre optique 34.
[58] De préférence, la surface SMi est inférieure à O,1 *Sno ou à O,O5*Sno ou à O,O1 *Sno. Ici, la surface Sli est inférieure à O,O5*Sno.
[59] Pour obtenir une réflectivité suffisante du motif Mi pour limiter le nombre p de motifs et donc pour limiter la longueur L8o du réseau 80, la surface SMi 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 SMi est supérieure ou égale à 0,032 pm2.
[60] 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. [61] Dans ce mode de réalisation, toutes les bulles B, sont structurellement identiques les unes aux autres. Seules leurs positions dans le plan Pi permet de les distinguer les unes des autres.
[62] Chaque bulle B, crée une variation importante de l’indice de réfraction du cœur 110 dans la direction de propagation du signal optique. Pour cela, l’écart entre l’indice nrno de réfraction du cœur 110 et l’indice n® 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 nrno et nrB supérieur ou égal à 0,4.
[63] De plus, pour que la variation d’indice de réfraction soit brusque, le diamètre D, de chaque bulle Bj est inférieur à 200 nm et, de préférence, inférieur à 100 nm. Généralement, le diamètre D, est également supérieur à 10 nm ou 50 nm.
[64] Chaque bulle B, est principalement sphérique. Ainsi, le diamètre Djde 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.
[65] Le centre de chaque bulle Bj est contenu dans le plan Pi.
[66] 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.
[67] Le motif Mi est centré sur l’axe 108. Pour cela, les bulles Bj sont disposées les unes à côté des autres de manière à ce que le barycentre du motif Mj soit situé à moins de 100 nm de l’axe 108 et le centre d’au moins une des bulles Bj est situé à moins de 100 nm de l’axe 108.
[68] Dans ce premier mode de réalisation, le barycentre du motif Mj est situé sur l’axe 108. De plus, le motif Mi est symétrique par rapport à l’axe 108.
[69] Les centres des bulles Bj sont situés les uns derrière les autres sur un axe Ai qui coupe l’axe 108 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 108. Les centres des bulles B3 et B4 sont à moins de 100 nm de l’axe 108.
[70] La distance entre deux bulles Bj, Bj+i immédiatement consécutives le long de l’axe Ai est constante. Autrement dit, quelle que soit la paire de bulle Bj, Bj+i immédiatement consécutives le long de l’axe Ai, la distance qui sépare les centres de ces deux bulles est la même.
[71] La figure 5 représente le spectre de puissance du réseau 80 entre 1545 nm et 1555 nm. La réflectivité des pics du peigne obtenu atteint -21 dBm.
[72] La figure 6 représente un procédé de fabrication de la fibre optique 34. Ce procédé débute par une étape 120 de fourniture d’une fibre optique dont le cœur 110 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®.
[73] 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.
[74] Ensuite, lors d’une étape 122, le réseau 80 est fabriqué dans le cœur 110. Pour cela, une opération 124 de formation du motif Mi dans le cœur 110 de la fibre optique fournie est réitérée à chaque emplacement où un tel motif Mi doit être formé.
[75] Lors de l’opération 124, chaque bulle B, est créée par une seule impulsion du laser femtoseconde. Plus précisément, lors de l’opération 124, le faisceau du laser femtoseconde est focalisé sur le centre de la bulle B, à créer puis une impulsion d’une durée inférieure à 500 fs ou à 250 fs est émise et irradie le point du cœur 110 où doit se situer le centre de la bulle B,. La bulle B, est alors créée dans le cœur 110. 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 Bj+i à créer, puis une nouvelle impulsion du laser femtoseconde est émise.
[76] Dans ce mode de réalisation, les bulles B, sont donc créées les unes après les autres.
[77] Les valeurs des différents paramètres d’un laser femtoseconde pour créer une bulle telle que la bulle B, 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 B, 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 B, dans le cœur d’une fibre optique. Ici, les paramètres suivants ont été utilisés pour fabriquer la fibre optique 34 : - 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.
[78] Le fonctionnement du dispositif 2 de mesure va maintenant être décrit en référence au procédé de la figure 7.
[79] Lors d’une étape 130, l’unité 70 commande la source 50 pour faire varier linéairement, au cours du temps, la longueur d’onde Às depuis la longueur d’onde ÀSmin jusqu’à la longueur d’onde Àsmax. A cet effet, l’unité 70 envoie à la source 50 un signal de commande généré à partir d’une estimation de la fonction de transfert de la source 50.
[80] Le signal optique émis par la source 50 est guidé par le coupleur 52 et les fibres optiques 22, 14, 42 et 34 jusqu’au transducteur 4 et à l’étalon 6. Le transducteur 4 et l’étalon 6 réfléchissent alors une partie du signal optique incident. Ces parties réfléchies du signal optique correspondent aux signaux rétro-diffusés, respectivement, par le transducteur 4 et l’étalon 6.
[81 ] En parallèle de l’étape 130, lors d’une étape 132, le capteur 62 mesure seulement le signal optique rétro-diffusé par le transducteur 4 et le capteur 64 mesure seulement le signal optique rétro-diffusé par l’étalon 6. Plus précisément, les capteurs 62, 64 génèrent chacun un signal électrique dont l’amplitude est représentative de la puissance du signal optique mesuré. Les signaux électriques générés par les capteurs 62, 64 sont transmis à l’unité 70 qui les acquièrent.
[82] Une fois les signaux électriques acquis par l’unité 70, lors d’une étape 134, l’unité 70 détermine l’amplitude AÀ.
[83] Lorsque la longueur d’onde Às est égale à la longueur d’onde ÀBm4 du transducteur 4, la puissance du signal optique rétro-diffusé par le transducteur 4 passe par un maximum. Puisque la longueur d’onde Às varie linéairement en fonction du temps, l’instant tm auquel se produit ce maximum est proportionnel à la valeur actuelle de la longueur d’onde ÀBm4. De même, la longueur d’onde À&4 de référence correspond à un instant t de référence. Lors de l’étape 134, l’unité 70 calcule l’écart entre l’instant tm mesuré et l’instant t de référence. Puisque la variation de la longueur d’onde Às au cours du temps est linéaire, l’écart tm-ti est proportionnel à l’amplitude AÀ. Le coefficient de proportionnalité entre l’écart tm-ti et l’amplitude AÀ est égal à la pente cible ac de la droite représentant l’évolution au cours du temps de la longueur d’onde Às. Cette pente cible oie est une constante prédéterminée et connue. Ainsi, lors de l’étape 134, l’unité 70 détermine AÀ à partir de l’écart mesuré entre les instants tm et t
[84] Ensuite, lors d’une étape 136, l’unité 70 établit la variation AG de la grandeur physique mesurée à partir de l’amplitude AÀ. Par exemple, la variation AG est calculée à l’aide de la relation suivante AÀ/ÀBi4 = SG*AG, OÙ SG est le coefficient de sensibilité préenregistré dans la mémoire 74. Si la longueur d’onde ÀBi4 est associée, dans la mémoire 74, à une valeur absolue correspondante de la grandeur physique à mesurer, alors l’unité 70 calcule également cette valeur absolue de la grandeur physique mesurée lors de l’étape 136.
[85] Ici, lors d’une étape 140, à chaque fois que le spectre de puissance de l’étalon 6 est mesuré par le capteur 64, l’unité 70 établit une nouvelle estimation de la fonction de transfert de la source 50. Pour cela, par exemple, l’unité 70 relève pour chacun des pics d’ordre k du peigne de l’étalon 6, l’instant tk,m auquel il se produit. Ensuite, l’unité 70 associe l’instant relevé tk,m à la longueur d’onde Àk de ce pic d’ordre k. L’association de l’instant tk,m et de la longueur d’onde Àk forme un point (Àk ; tk,m) d’abscisse Àk et d’ordonnée tk,m. La fonction de transfert estimée pour la source 50 correspond alors à la courbe qui passe par l’ensemble des points (Àk ; tk,m) relevés pour l’étalon 6.
[86] Cette fonction de transfert estimée est ensuite utilisée lors de la prochaine exécution de l’étape 130 pour générer le signal de commande de la source 50 qui permet d’obtenir une variation linéaire, au cours de temps, de la longueur d’onde Às avec la pente cible ac. Par exemple, pour cela, chaque instant tk,m est comparé à un instant théorique tk,t auquel le pic d’ordre k aurait dû se produire si la variation de la longueur d’onde Às était parfaitement linéaire et avec la pente ac. L’instant théorique tk,t est donc calculé à partir de la longueur d’onde Àk du pic d’ordre k et de la pente cible ac prédéterminée et connue. Si l’amplitude de l’écart tk,m - tk,t dépasse un seuil prédéterminé, alors le signal de commande est localement modifié entre les instants tk. i,t et tk,t pour limiter l’amplitude de cet écart. Par exemple, si l’écart tk,m - tk,t est positif, cela signifie que l’instant tk,m est en retard par rapport à l’instant tk,t. Dans ce cas, le signal de commande est modifié entre les instants tk.i,t et tk,t pour faire croître plus rapidement la longueur d’onde Às entre ces instants tk.i ,t et tk,t. A l’inverse, si l’écart tk,m - tk,t est négatif, cela signifie que l’instant tk,m est en avance par rapport à l’instant tk,t. Dans ce cas, le signal de commande est modifié entre les instants tk.i ,t et tk,t pour faire croître plus lentement la longueur d’onde Às entre ces instants tk.i ,t et tk,t. [87] Ainsi, dans ce mode de réalisation, le spectre mesuré de l’étalon 6 est utilisé pour linéariser la variation, au cours du temps, de la longueur d’onde Às. Cette linéarisation permet d’améliorer la précision de la mesure et permet aussi de compenser des dérives de la source 50. C’est donc de cette façon que la mesure du spectre de l’étalon 6 intervient dans la détermination de l’amplitude AÀ.
[88] La figure 8 représente un étalon 150 susceptible d’être utilisé à la place de l’étalon 6. L’étalon 150 est identique à l’étalon 6 sauf qu’un second réseau de Bragg 152 est réalisé dans la fibre optique 34. Pour simplifier la figure 8, seul le cœur 110 et les réseaux 80 et 152 sont représentés.
[89] Le réseau 152 est un réseau de Bragg standard dont la longueur d’onde ÀB152 de sa fréquence fondamentale est située à l’intérieur de la plage de travail. La valeur absolue de la longueur d’onde ÀB152 est connue. Ici, les motifs du réseau 152 sont conformés pour que l’amplitude du pic de puissance du réseau 152 à la longueur d’onde ÀBi52 soit supérieure, et de préférence 1 ,5 fois ou deux fois supérieure, à l’amplitude des pics du peigne du réseau 80 dans la plage de travail.
[90] Le réseau 152 est, par exemple, réalisé dans le cœur 110 au même endroit que le réseau 80 mais décalé radialement par rapport au réseau 80 pour que ses motifs n’interfèrent pas avec les motifs du réseau 80. Par exemple, le réseau 152 est réalisée dans la partie supérieure du cœur 110 tandis que le réseau 80 est réalisé dans la partie inférieure du cœur 110. La partie supérieur du cœur 110 est celle située au-dessus d’un plan horizontal contenant l’axe 108 et la partie inférieure est celle située en-dessous de ce plan horizontal.
[91] Le spectre de puissance de l’étalon 150 est égal à la superposition du spectre du réseau 80 et du spectre du réseau 152. Ainsi, le spectre de l’étalon 150 comporte, en plus du peigne de pics, un pic supplémentaire à la longueur d’onde ÀBi52. Ce pic supplémentaire est facilement identifiable car son amplitude est supérieure à l’amplitude des pics du peigne du réseau 80.
[92] Lorsque l’étalon 6 est remplacé par l’étalon 150, l’unité 70 est modifiée pour déterminer en plus les valeurs absolues des longueurs d’onde correspondant à chacun des pics du peigne du réseau 80. Pour cela, l’unité 70 repère le plus grand pic de puissance, c’est-à-dire celui correspondant au réseau 152, dans le spectre mesuré de l’étalon 150. La valeur absolue de la longueur d’onde à laquelle ce plus grand pic apparaît dans le spectre de puissance de l’étalon 150 est connue et égale à la longueur d’onde AB152. Les positions des pics du peigne du réseau 80 par rapport au plus grand pic sont déterminées à partir du spectre mesurée de l’étalon 150. Ensuite, pour chaque pic du peigne du réseau 80, l’unité 70 détermine la valeur absolue de la longueur d’onde correspondant à ce pic à partir :
- du nombre d’intervalles spectrales libres qui le sépare du plus grand pic, et
- de la valeur absolue de la longueur d’onde ÀBi52.
[93] Par exemple, si un pic du peigne du réseau 80 est séparé du plus grand pic par 5,5 intervalles spectrales libres, alors la valeur absolue de la longueur d’onde à laquelle ce pic apparaît est égale à ÀB152 +5,5*ISL8o, où ISLso est la valeur connue de l’intervalle spectrale libre du réseau 80.
[94] A partir des valeurs absolues des longueurs d’onde des pics du peigne, l’unité 70 est alors capable d’estimer une fonction de transfert pour la source 50 qui à une valeur particulière du signal de commande, associe une valeur absolue de la longueur d’onde Às. Cela simplifie la génération d’un signal de commande qui fait varier linéairement la longueur d’onde Às en fonction du temps. Il est aussi possible, dans ce cas, d’établir directement la valeur absolue de la longueur d’onde ÀBm4. Ensuite, l’unité 70 établie la valeur absolue de la grandeur physique à mesurer à partir d’une relation connue entre la valeur absolue de la longueur d’onde ÀBm4 et la valeur absolue de la grandeur physique.
[95] Chapitre : Variantes :
Figure imgf000020_0001
[96] Variantes de l’étalon :
[97] L’ordre kc de l’harmonique qui se trouve au centre de la plage de travail est ici supérieur à 100 et, de préférence, choisi supérieur à 500 ou 1000. Cet ordre kc peut aussi être choisi supérieur 2000 ou 4000 ou 10000. Théoriquement, il n’existe pas de limite supérieure pour cet ordre kc. Toutefois, il découle de la relation (2) que plus l’ordre kc est grand, plus le pas A du réseau de Bragg est grand et donc que le réseau de Bragg d’ordre très élevé 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 kc. Ici, cette longueur maximale est fixée à 1 m.
[98] 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 kc qui permet de placer la longueur d’onde Àc au centre de la plage de travail. 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.
[99] A titre d’exemple, en appliquant l’enseignement donné dans le chapitre I, il est possible d’obtenir des peignes pour toutes plages de travail. Cela s’applique en particulier aux plages de travail centrées 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.
[100] La plage de travail peut être plus large que 100 nm. Par exemple, la largeur de cette plage de travail est, en variante, supérieure à 200 nm ou 300 nm. Il n’existe pas de limite supérieure pour la largeur de cette plage de travail si ce n’est qu’elle doit se situer dans le domaine de l’optique et qu’elle doit pouvoir être balayée par la source laser de l’analyseur spectral.
[101] 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 d’ordre très élevé du dispositif de mesure décrit ici.
[102] Les motifs du réseau de Bragg d’ordre très élevé 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.
[103] 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).
[104] 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.
[105] Dans un mode de réalisation particulier, les caractéristiques de la fibre optique 34 dans laquelle est réalisé l’étalon 6 sont différentes des caractéristiques de la fibre optique 14 pour que la sensibilité de l’étalon aux variations de la grandeur physique à mesurer soit moindre que la sensibilité du transducteur optique 4 à ces mêmes variations de la grandeur physique.
[106] Variantes de la structure isolante :
[107] D’autres modes de réalisation de la structure isolante sont possibles. Par exemple, le réseau 80 peut être isolé des variations de contraintes mécaniques en mettant en œuvre l’enseignement de la demande FR3087008A1.
[108] La structure isolante peut aussi être conçue pour isoler le réseau 80 des variations de la pression hydrostatique.
[109] Dans un mode de réalisation simplifié, la structure isolante n’est pas une structure isolante active mais une structure isolante passive, c’est-à-dire une structure isolante qui ne consomme pas d’énergie électrique pour isoler la fibre optique 34 des variation du milieu extérieur. Par exemple, une structure isolante passive comporte un matériau à très faible coefficient de dilation thermique sur lequel la fibre optique est fixée sans aucun degré de liberté. Typiquement ce matériau à très faible coefficient de dilatation thermique a un coefficient de dilatation thermique inférieur à 5*10’6 K’1. Par exemple, ce matériau est un alliage de fer et de nickel tel que l’alliage Fe-Ni avec 36% atomique de Nickel. Cet alliage est connu sous le nom de Invar®. Dans un autre exemple de structure isolante passive, la fibre optique est enfouie à l’intérieur d’un matériau dont la conductivité thermique est inférieure à 0,05 W/m/K.
[110] Dans un autre mode de réalisation, la structure isolante comporte un matériau qui vient exercer sur la fibre optique une contrainte mécanique qui compense l’effet de la dilatation thermique de cette fibre optique en réponse à une variation de température.
[111] Le boîtier 82 peut être omis notamment si la contrainte mécanique exercée par le milieu extérieur sur le réseau 80 ne peut pas varier ou varie seulement de façon négligeable.
[112] Variantes du transducteur optique :
[113] Le transducteur optique ne comporte pas nécessairement un réseau de Bragg. Par exemple, en variante, le transducteur optique comporte un interféromètre de Fabry Pérot à la place du réseau de Bragg. Comme un réseau de Bragg, un tel interféromètre de Fabry Pérot présente un spectre de puissance comportant un pic dont la position varie en fonction de la température, de la contrainte en élongation et de la pression hydrostatique qui s’exerce sur cette cavité de Fabry Pérot. Un tel interféromètre de Fabry Pérot peut être réalisé dans le cœur d’une fibre optique. Dans une autre variante, le transducteur optique est une cellule de gaz dont le spectre de puissance en transmission présente un raie d’absorption. La position de cette raie d’absorption dans le spectre de puissance varie, par exemple, en fonction de la température.
[114] Lorsque le transducteur optique est un réseau de Bragg, le spectre de puissance du transducteur optique est décalé en réponse à une variation de température, une déformation longitudinale du cœur de la fibre optique 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 du cœur de la fibre optique 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.
[115] La grandeur physique mesurée peut aussi être une autre grandeur physique que la température, la déformation longitudinale et la pression hydrostatique. Pour cela, il suffit que le transducteur optique soit sensible à cette autre grandeur physique. Par exemple, le transducteur optique peut être sensible à une dose de radiation. A titre d’illustration, pour cela, le cœur de la fibre optique 14 est réalisé dans un matériau photosensible. Ici, ce cœur est réalisé en germanosilicate. Initialement, un réseau de Bragg est fabriqué dans le cœur de la fibre optique 14. Ensuite, ce réseau de Bragg est transformé en un réseau de Bragg sensible à une dose du rayonnement à mesurer. Pour cela, ce réseau de Bragg 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 ÀBm4 du réseau de Bragg du transducteur optique.
[116] En variante, le transducteur optique comporte une succession de plusieurs réseaux de Bragg réalisés les uns après les autres dans le cœur de la même fibre optique. Dans ce cas, de préférence, les longueurs d’onde ÀBi4 de chacun de ces réseaux de Bragg sont différentes. Grâce à cela, le même transducteur optique permet de mesurer la grandeur physique à différents endroits. Dans ce mode de réalisation, le spectre de puissance du transducteur optique comporte alors plusieurs pics de puissance dans la plage de travail. [117] Dans une autre variante, le dispositif de mesure comporte plusieurs transducteurs optiques optiquement raccordés en parallèle à l’analyseur spectral. Une telle configuration de plusieurs transducteurs optiques est par exemple illustrée dans la demande CN102879022A.
[118] En variante le transducteur optique n’est pas réalisé dans la fibre optique 14 mais simplement raccordé optiquement à l’extrémité distale de la fibre optique 14. Par exemple, le transducteur optique est une cavité de Fabry Pérot formée entre deux miroirs réfléchissants et ces miroirs sont réalisés en dehors de la fibre optique 14.
[119] Variantes de l’analyseur spectral:
[120] En variante, la source optique n’est pas accordable. Par exemple, la source optique est 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 travail. 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, chaque capteur 62, 64 est un spectromètre à barrette. Dans un tel mode de réalisation, il n’est pas nécessaire de faire varier la longueur d’onde Às pour balayer toute la plage de travail. L’estimation de la fonction de transfert de la source laser peut alors être omise.
[121 ] La source optique n’est pas nécessairement une source laser. Par exemple, la source optique peut aussi être réalisée à l’aide d’une cavité de Fabry Pérot accordable. Dans ce cas, le signal de commande provoque le déplacement d’au moins un des dioptres de cette cavité de Fabry Pérot. Ce déplacement d’un dioptre provoque alors une modifications de la fréquence de résonance propre de la cavité et donc une modification de la longueur d’onde Às.
[122] D’autres configuration de l’unité 70 sont possibles pour déterminer l’amplitude AÀ. En particulier, l’amplitude AÀ peut aussi être déterminée sans utiliser l’écart de temps tm-tj. Par exemple, en variante, l’amplitude AÀ est déterminée en décomptant le nombre de pics du spectre de l’étalon situés entre la longueur d’onde ÀBi4 et la longueur d’onde mesurée ÀBm4. Une telle méthode est par exemple décrite dans le chapitre « Absolute Frequency Measurement » de la demande W02020113147A1 . [123] Dans une autre variante, la fonction de transfert estimée pour la source 50 est utilisée pour corriger la longueur d’onde ÀBm4 de manière à obtenir une longueur d’onde corrigée plus proche de la réalité. Par exemple, pour cela, la longueur d’onde ÀBm4 corrigée est calculée à l’aide de la relation suivante : ÀBm4 = [(Àk+i - Àk)/(tk+i,m - tk,m)]*(tm - tk,m)+ Àk, OÙ .
- Àk et tk,m sont, respectivement, l’abscisse et l’ordonnée du point (Àk ; tk,m) de la fonction de transfert estimée lors de l’étape 140 pour lequel tk,m précède immédiatement l’instant tm mesuré lors de l’étape 134, et
- Àk+i et tk+i,m sont, respectivement, l’abscisse et l’ordonnée du point (Àk+i ; tk+i,m) de la fonction de transfert estimée lors de l’étape 140 pour lequel tk+i,m suit immédiatement l’instant tm.
Dans cette variante, une interpolation linéaire de la fonction de transfert est réalisée entre deux points successifs (Àk ; tk,m) et (Àk+i ; tk+i,m). Toutefois, une interpolation non- linéaire de la fonction de transfert entre ces deux points est également possible.
[124] Dans les cas ci-dessus, l’étalon 6 n’est pas utilisé pour linéariser la variation de la longueur d’onde Às de la source optique.
[125] Dans une variante simplifiée, l’unité 70 détermine seulement la variation de la grandeur physique mesurée et non pas sa valeur absolue. Dans ce cas, il n’est pas nécessaire de connaître la valeur de la grandeur physique mesurée correspondant à la longueur d’onde ÀBi4.
[126] Dans un autre mode de réalisation, la réponse spectrale de l’étalon 6 est d’abord mesurée puis, seulement ensuite, la réponse spectrale du transducteur optique 4 est mesurée. Dans ce cas, un interrupteur optique est d’abord placé dans une position d’étalonnage dans laquelle il raccorde optiquement l’analyseur spectral 20 seulement à l’étalon 6 pour mesurer la réponse spectrale de l’étalon. Ensuite, cet interrupteur optique est basculé vers une position de mesure dans laquelle il raccorde optiquement l’analyseur spectral 20 seulement au transducteur optique 4 pour mesurer la réponse spectrale du transducteur optique. Généralement, la réponse spectrale de l’étalon 6 est alors seulement mesurée par intermittence et non pas à chaque fois que la réponse spectrale du transducteur optique 4 est mesurée. Dans ce mode de réalisation, le signal optique qui éclaire l’étalon 6 n’est pas nécessairement strictement identique au le signal optique qui éclaire le transducteur optique 4 puisqu’ils sont émis à deux instants différents. [127] En variante, au moins l’un des capteurs optiques et, de préférence, les deux capteurs optiques sont raccordés à l’extrémité distale des fibres optiques 14 et 34. Dans ce cas, l’analyseur spectral 20 mesure les signaux optiques qui ont traversés le transducteur 4 et l’étalon 6. Dès lors, les spectres de puissance des signaux mesurés sont des spectres de puissance en transmission et non pas en réflexion. Toutefois, tout ce qui a été décrit dans le cas particulier de spectres de puissance en réflexion s’adapte, sans difficulté particulière, au cas de spectres de puissance en transmission.
[128] Les coupleurs optiques 12, 32 et 52 peuvent être remplacés par une seul coupleur optique multi-voies qui remplit à lui seul les fonctions de ces trois coupleurs optiques 12, 32 et 52.
[129] Variantes du procédé de fabrication :
[130] 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 le réseau 80. Le procédé de fabrication décrit dans l’article LUO2022 est aussi utilisable.
[131 ] Autres variantes :
[132] Le guide d’onde n’est pas nécessairement une fibre optique. Tout ce qui est décrit dans ce texte dans le cas particulier de fibres optiques s’applique aussi au cas où les guides d’onde sont des guides d’onde réalisés sur une puce photonique. Par exemple, dans ce dernier cas, le cœur de chaque guide d’onde 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.
[133] Tout ce qui a été décrit précédemment dans le cas particulier où la longueur d’onde Àc du pic d’ordre kc est comprise entre 200 nm et 5000 nm s’applique aussi au cas où la longueur d’onde Àc est comprise entre 5000 nm et 10000 nm et, en particulier, au cas où la longueur d’onde Àc est comprise dans le domaine de l’infrarouge. Lorsque la longueur d’onde Àc est dans le domaine de l’infrarouge, le cœur de la fibre optique est par exemple réalisé dans du verre de chalcogénure.
[134] Plusieurs des variantes décrites ci-dessus peuvent être combinées dans un même mode de réalisation. [135] Chapitre III : Avantages des modes de réalisation décrits :
[136] Un réseau de Bragg d’ordre très élevé permet d’obtenir un peigne de pics en utilisant un seul réseau de Bragg et non pas une succession de plusieurs réseaux de Bragg comme décrit dans la demande CN102879022A. Ainsi, par rapport à l’étalon décrit dans la demande CN102879022A, l’étalon décrit dans les chapitres précédents est plus simple à réaliser et moins encombrant.
[137] De plus un réseau de Bragg d’ordre très élevé permet d’obtenir un peigne de pics identique à ceux obtenus à l’aide d’une cavité de Fabry Pérot telle que celle décrite dans la demande W02020113147A1 . Par contre, à performance égale, le réseau de Bragg d’ordre très élevé est plus simple à fabriquer et présente un encombrement plus réduit.
[138] Le fait que l’encombrement du réseau de Bragg d’ordre très élevé soit faible, réduit l’encombrement du dispositif de mesure et facilite aussi la réalisation de la structure isolante. En effet, il est beaucoup plus facile d’isoler thermiquement un réseau de Bragg d’ordre élevé de moins de 10 cm de longueur qu’une cavité de Fabry Pérot de plusieurs mètres de longueur.
[139] Ainsi, un dispositif de mesure comportant un étalon fabriqué à l’aide d’un réseau de Bragg d’ordre très élevé est, à performance égale, plus simple à fabriquer.
[140] L’utilisation de la réponse spectrale de l’étalon 6 pour obtenir une variation linéaire de la longueur d’onde émise par la source laser 50 sur toute la plage de travail, permet de simplifier la structure des capteurs 62, 64 et donc la structure du dispositif de mesure.
[141 ] Le fait de mesurer simultanément les réponses spectrales du transducteur optique 4 et de l’étalon 6 lorsqu’ils interagissent avec un même signal optique, garantit que les réponses spectrales mesurées sont bien des réponses spectrales obtenues en réponse à un même signal optique. Cela augmente la précision du dispositif de mesure.
[142] Le fait que l’étalon 150 comporte en plus un réseau de Bragg 152 dont la longueur d’onde ÀB152 est située à l’intérieur de la plage de travail, permet d’identifier la valeur absolue de la longueur d’onde associée à chaque pic du peigne du réseau 80. Il est dès lors possible de mesurer la valeur absolue de la longueur d’onde à laquelle se produit le pic de puissance du transducteur optique 4 et donc de remonter ainsi à une valeur absolue de la grandeur physique mesurée. [143] Le fait que l’étalon soit réalisé dans une fibre optique simplifie la fabrication du dispositif de mesure.
[144] Le fait d’utiliser une ou plusieurs bulles dans chaque motif Mi permet d’obtenir un motif petit et donc de réduire substantiellement les pertes d’insertion. [145] Le fait d’utiliser plusieurs bulles disjointes permet d’obtenir un motif Mi suffisamment réfléchissant pour diminuer le nombre p de motifs et donc pour conserver la compacité du réseau 80 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

Tl Revendications
1 . Dispositif de mesure d’une grandeur physique, ce dispositif comportant :
- un transducteur optique (4) dont le spectre de puissance présente au moins un pic de puissance dont la position varie, tout en restant à l’intérieur d’une plage de travail prédéterminée, en fonction de la grandeur physique à mesurer, cette plage de travail prédéterminée étant une plage de longueurs d’onde et cette plage de travail étant comprise entre 200 nm et 10000 nm,
- un étalon (6 ; 150) dont le spectre de puissance en réflexion comporte plusieurs pics de puissance répartis à l’intérieur de la plage de travail, l’intervalle spectrale libre de cet étalon étant inférieur ou égal à 5 nm, cet étalon comportant :
- un premier guide d'onde (34) contenant un cœur (110) qui s’étend le long d’un axe longitudinal et à l’intérieur duquel un signal optique guidé par ce premier guide d'onde est apte à se propager le long de l’axe longitudinal du premier guide d'onde, et
- un premier réseau de Bragg (80) réalisé dans le cœur du premier guide d'onde, ce premier réseau de Bragg comportant au moins trois motifs (Mi, M2, MN-I, MN) identiques alignés les uns derrières les autres le long de l’axe longitudinal du premier guide d'onde et séparés les uns des autres par un premier pas constant,
- une structure isolante (82) apte à isoler le premier réseau de Bragg des variations de température et des variations de contrainte mécanique exercées par un milieu extérieur sur l’étalon,
- un analyseur spectral (20) configuré pour :
- mesurer séparément la réponse spectrale du transducteur optique dans la plage de travail et la réponse spectrale de l’étalon dans la même plage de travail, puis
- déterminer l’amplitude du déplacement du pic du transducteur optique à partir des réponses spectrales du transducteur optique et de l’étalon mesurées séparément l’une de l’autre, puis
- établir une variation de la grandeur physique à partir de l’amplitude déterminée du déplacement du pic du transducteur optique, caractérisé en ce que le premier pas du premier réseau de Bragg (80) est configuré pour que le spectre de puissance du premier réseau de Bragg présente plusieurs harmoniques discernables d’ordre supérieur à cent dans la plage de travail, ces harmoniques formant ainsi les pics de puissance du spectre de puissance de l’étalon à des longueurs d’onde connues.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel :
- l’analyseur spectral (20) comporte une source optique accordable (50) apte à émettre un signal optique mono-fréquence qui interagit avec le transducteur optique et l’étalon, cette source optique étant commandable à l’aide d’un signal de commande pour faire varier la longueur d’onde du signal optique émis, la longueur d’onde du signal optique émis étant reliée au signal de commande par une fonction de transfert non-linéaire, et
- l’analyseur spectral (20) est également configuré pour :
- estimer la fonction de transfert non-linéaire de la source optique commandable à partir de la réponse spectrale de l’étalon mesurée et des longueurs d’onde connues auxquelles se produisent les pics de puissance du spectre de puissance de l’étalon sur la plage de travail, puis
- construire un signal de commande qui permet d’obtenir une variation, en fonction du temps, plus linéaire de la longueur d’onde du signal optique émis sur toute la plage de travail à partir de la fonction de transfert estimée, et
- commander la source optique à l’aide de ce signal de commande construit.
3. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- l’analyseur spectral comporte :
- une source laser (50) équipée d’un port (54) de sortie par l’intermédiaire duquel un signal optique est émis, et
- un coupleur optique (52) qui raccorde optiquement le transducteur optique et l’étalon simultanément à ce port de sortie, et
- l’analyseur spectral est apte à mesurer simultanément les réponses spectrales du transducteur optique et de l’étalon obtenues en réponse au signal optique émis sur le port (54) de sortie.
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le guide d'onde (34) de l’étalon est une fibre optique.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- chaque motif (Mi, M2, MN-I, MN) du premier réseau de Bragg (80) s’étend principalement dans un plan, appelé « plan du motif », perpendiculaire à l’axe longitudinal du premier 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 (110) du premier guide d'onde.
6. 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.
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- le premier pas est supérieur ou égal à 20 pm, et
- l’écart entre l’indice de réfraction du cœur (110) du premier guide d'onde et l’indice de réfraction de chaque motif du premier réseau de Bragg est supérieur à 0,3.
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque motif (Mi, M2, MN-I, MN) est réalisé à l’aide d’une impulsion d’un laser femtoseconde.
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la grandeur physique est choisie dans le groupe constitué d’une température, d’une déformation mécanique et d’une pression hydrostatique.
10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plage de travail est comprise entre 200 nm et 5000 nm,
11. Étalon pour la réalisation d’un dispositif de mesure conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le spectre de puissance en réflexion de cet étalon comporte plusieurs pics de puissance répartis à l’intérieur d’une plage de travail prédéterminée, l’intervalle spectrale libre de cet étalon étant inférieur ou égal à 5 nm et cette plage de travail prédéterminée étant une plage de longueurs d’onde et cette plage de travail étant comprise entre 200 nm et 10000 nm, cet étalon comportant :
- un premier guide d'onde (34) contenant un cœur (110) qui s’étend le long d’un axe longitudinal 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, ce guide d’onde étant apte à être optiquement raccordé à un analyseur spectral,
- un premier réseau de Bragg (80) réalisé dans le cœur du premier guide d'onde, ce premier réseau de Bragg comportant au moins trois motifs identiques alignés les uns derrières les autres le long de l’axe longitudinal du premier guide d'onde et séparés les uns des autres par un premier pas constant,
- une structure isolante (82) apte à isoler le premier réseau de Bragg des variations de température et des variations de contrainte mécanique exercées par un milieu extérieur sur l’étalon, cette structure isolante comportant :
- un capteur (90) de température,
- un élément (92) chauffant ou refroidissant commandable apte à chauffer ou à refroidir le premier guide d’onde, et
- un microcontrôleur (94) configuré pour commander l’élément chauffant en fonction d’une consigne de température et de la température mesurée par le capteur pour limiter les variation de température du premier guide d’onde autour de cette consigne de température, caractérisé en ce que le premier pas du premier réseau de Bragg (80) est configuré pour que le spectre de puissance du premier réseau de Bragg présente plusieurs harmoniques discernables d’ordre supérieur à cent dans la plage de travail, ces harmoniques formant ainsi les pics de puissance du spectre de puissance de l’étalon à des longueurs d’onde connues.
12. Etalon selon la revendication 10, dans lequel l’étalon comporte un second réseau de Bragg (152) réalisé dans le cœur du premier guide d’onde, ce second réseau de Bragg comportant au moins trois motifs identiques alignés les uns derrières les autres le long de l’axe longitudinal du premier guide d'onde et séparés les uns des autres par un second pas constant, ce second pas étant configuré pour que la longueur d’onde de la fréquence fondamentale de résonance du second réseau de Bragg soit située à l’intérieur de la plage de travail.
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