Fig. 1

Une fibre à réseau de Bragg est une microstructure de quelques millimètres, sorte de marquage qui peut être inscrit sur le noyau d’une fibre de type télécommunication standard. La réflexion de la lumière se fait en illuminant transversalement la fibre à l’aide d’un rayon laser UV et le marquage produit un modèle d'interférence dans le noyau, ce qui induira un changement permanent des caractéristiques physiques de la matrice de silice (fig.1). Ce changement consiste en une modulation périodique de l'indice de réfraction du noyau qui crée une structure résonnante.

Le diamètre de la fibre, protégée par un premier enduit est 250 micromètres. Sans cette protection la fibre a un diamètre de 125 micromètres. Le transport de la lumière se fait essentiellement dans le noyau, dont le diamètre est approximativement de 8 micromètres.

Fonctionnement

En tant que structure résonnante, la fibre à réseau de Bragg agira comme un miroir sélectif de la longueur d'onde ; c'est un filtre à bande étroite. Cela signifie que si la lumière d'une source à bande large parcourt la fibre optique, seule la lumière sur une largeur spectrale très étroite, centrée sur la longueur d'onde du réseau de Bragg sera reflétée. La lumière restante poursuivra son chemin le long de la fibre jusqu’au prochain réseau de Bragg sans avoir perdu de son pouvoir (fig. 2).

La longueur d'onde du réseau de Bragg est essentiellement définie par la période de la microstructure et de l'indice de réfraction du noyau.

Le réseau de Bragg est une structure symétrique, ainsi il reflétera toujours la lumière selon la longueur d'onde peu importe d'où provient la lumière.

Figure 2 (A gauche en haut : spectre de la lumière injectée; en haut à droite : spectre de la lumière transmise; au centre : Fibre optique avec un FBG dans son noyau représentant la lumière transmise et reflétée; en bas à gauche : spectre de la l

Acteur pour la contrainte

Un réseau de Bragg possède des caractéristiques uniques pour travailler comme capteur. Par exemple, quand la fibre est étirée ou comprimée, la FBG mesurera la contrainte. Cela est possible puisque la déformation de la fibre optique amène un changement de la période de la microstructure et par conséquent aussi de la longueur d'onde (fig. 3).

 

 

Figure 3

Acteur pour la température

La sensibilité à la température est également une caractéristique intrinsèque du réseau de  Bragg. Dans ce cas, le facteur principal du changement de la longueur d'onde du réseau est la variation de l'indice de réfraction de la silice, induite par l'effet thermo-optique (fig. 4). Il y a également une contribution de la dilatation thermique, qui change la période de la microstructure. Cet effet est, cependant, marginale car le coefficient de dilatation thermique de la silice est faible.

 

 

Figure 4

Multiplexage

Un des principaux avantages de cette technologie est sa possibilité intrinsèque de multiplexage. En fait, des centaines de réseaux de Bragg peuvent être inscrits sur une simple fibre optique, qui peuvent être étroitement rapprochés de plusieurs millimètres jusqu’à quelques kilomètres (fig. 5). Avec le conditionnement approprié, chacune de ces microstructures peut être sensible aux paramètres autres que la température ou la contrainte, par exemple à la pression, l’accélération, le déplacement, etc. offrant aux capteurs un large panel de caractéristiques multifonctionnelles. Il est important de souligner que tous les capteurs peuvent être actifs en utilisant une simple source optique. En outre, la possibilité d’ajouter de plus en plus de capteurs sur une même fibre a seulement pour conséquence une perte mineure et aucune interférence sur la bande spectrale de la lumière réservée pour chaque sonde (fig. 6).

Figure 5
Figure 6

Avantages

Pour les capteurs optiques le réseau de Bragg offre tous les avantages habituellement attribués à ces dispositifs à savoir : une très faible perte sur la longueur de fibre, insensibilité aux champs électromagnétiques et aux interférences radio-fréquentielles, peut –être utilisé sans restriction dans les environnements explosifs ou en présence de produits dangereux, dispose d’une sensibilité élevée d’une très grande fiabilité sur la durée. De plus, la technologie du réseau de Bragg offre une possibilité périodique inhérente au multiplexage et une capacité à fournir des mesures absolues sans avoir besoin d’un référencement. Il représente une alternative normale aux technologies des capteurs classiques.

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Quel est le principe d'une fibre à réseau de Bragg ?

Une Fibre Bragg Grating (FBG) est une sorte de microstructure crée pour refléter une longueur d’onde de lumière. Cela signifie que si la lumière provenant d’une source à large bande est introduite dans la fibre optique, seule la lumière dans une largeur spectrale très étroite, centrée sur la longueur d'onde sera reflétée en retour par la zone de réfraction. La lumière restante poursuivra son chemin dans la fibre optique jusqu’à la zone de réfraction suivante sans aucune perte.

La longueur d'onde (λB) est essentiellement définie par le pas du réseau (Λ) et de l'indice de réfraction du noyau (nef).

 
Equation 1

Un réseau de Bragg possède des caractéristiques uniques qui le caractérisent comme un capteur. Par exemple, quand la fibre est étirée ou bien comprimée, la FBG permettra de mesurer une contrainte dans le cas d’une jauge optique. Comment cela fonctionne-t-il ? La déformation de la structure créera une déformation du réseau de Bragg de la fibre optique à l’intérieur de la jauge qui génèrera par conséquent une variation de la longueur d’onde. Il y a également une certaine contribution de la variation de l'indice de réfraction par un effet photo-élastique.

La sensibilité à la température est également intrinsèque au réseau de Bragg. Dans ce cas, le principal facteur de changement de longueur d'onde est en fait la variation de l'indice de réfraction du silice, induite par un effet thermo-optique. Il y a également une contribution de la dilatation thermique, qui change le pas du réseau. Ceci a pour effet marginal de donner un faible coefficient thermique du silice.

Relation de la Fiber Bragg Grating (FBG) à la contrainte

La relation vis à vis de la contrainte d'un réseau de Bragg peut être déterminée en différenciant la longueur d'onde :

Equation 2

Où :

ße – Sensibilité de contrainte du réseau de Bragg
pe – Constante photo-élastique (variation de l'indice de réfraction sous une traction axiale)

Le pe pour une fibre optique est 

En sachant que la sensibilité de contrainte d'une FBG est donnée par l'expression :

Equation 3


Pour une FBG de @1550 nm nous avons

Equation 4

Relation de la Fiber Bragg Grating (FBG) avec la température

De même qu’avec la relation à la contrainte, le réseau de Bragg a une dépendance à la température qui peut être déterminée en différenciant l'expression de longueur d'onde (Equation 1) :

Equation 5

Où :

– Sensibilité thermique du réseau de Bragg
– Coefficient de dilatation thermique de la fibre
– Coefficient thermo-optique (dépend de l'indice de réfraction à l'égard de la température)

Pour une approximation de sensibilité de température, nous pouvons supposer que ces valeurs sont constantes à température ambiante :
= 0.55x10-6/ºC
= 5.77 x10-6/ºC

 

La sensibilité thermique approximative est donnée par

Equation 6

pour une FBG de @1550 nm nous avons

Equation 7

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