Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut de transmissions, ondes et photonique ITOP (Laboratoire de nanophotonique et métrologie NAM)

Advanced trends in nonlinear optics applied to distributed optical-fibre sensors

Alasia, Dario ; Thévenaz, Luc (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3648.

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    Summary
    The distributed optical-fibre sensors based on the properties of Brillouin scattering is the central object of this thesis. In the past decade, optical fibres have gained a large interest as sensors: attractive solutions based on the non-linear stimulated Brillouin scattering have been proposed in the early 90s and the possibility to achieve long-range fully distributed strain measurements has been extensively demonstrated. The Brillouin interaction is responsible for the coupling between two optical waves and an acoustic wave when a resonance condition is fulfilled. Since the resonance condition is strain and temperaturedependent, by determining the resonance frequency we directly get a measure of temperature or strain. Local information about the acousto-optical resonance condition is typically obtained by using pulsed lightwaves and a classical time-of-flight technique (BOTDA technique). The main goal of this work has been the development of an innovative technique for the generation of optical signals, using a set of locked lasers – instead of the traditional techniques using external modulators. The utilisation of the injection-locking of semiconductor lasers is the key of the entire set-up and represents an entirely new and original approach, since it brings significant improvements in terms of SNR and costs. As long as intense pulses propagate along the fibre, the optical signals can be seriously degraded by several nonlinear interactions occurring inside the fibre; we show that the nonlinear effect exhibiting the lowest threshold power is the modulation instability (MI) process. From the study of the dynamic behaviour of MI we could observe the Fermi-Pasta-Ulam (FPU) recurrence over few periods in very comfortable conditions. One original application of Brillouin sensing has been the dosimetric measurement of ionising radiations in a nuclear environment. The measurement campaign has not only shown that distributed sensors based on Brillouin spectral analysis are radiation tolerant up to very high doses, but has also revealed the first observation – to our knowledge – of the negative compaction of silica in fibres. Distributed fibre sensors based on stimulated Brillouin scattering offer a unique capability for the analysis of optical signals and nonlinear phenomena in optical fibres. We present a generalised theoretical approach to the problem of localised sensing and report on the first distributed measurement – to our knowledge – of the parametric gain in a single-pump fibre-optics parametric amplifier (FOPA).
    Résumé
    Les capteurs distribués à fibre optique basés sur les propriétés de la diffusion Brillouin font l'objet de cette thèse. Au cours de la décennie passée, les fibres optiques ont suscité un grand intérêt en tant que capteurs : des solutions attrayantes basées sur la diffusion non linéaire Brillouin stimulée ont été proposées au début des années '90 et la possibilité de réaliser des mesures de contrainte entièrement distribuées à longue portée a été largement démontrée. L'interaction Brillouin est responsable du couplage entre deux ondes optiques et une onde acoustique, quand une condition de résonance est remplie. Puisque cette condition est dépendante des contraintes et de la température, en déterminant la fréquence de résonance, on obtient directement une mesure de la température ou des déformations subies par la fibre. En employant des ondes lumineuses pulsées et une technique classique de temps-de-vol (technique de BOTDA) on peut obtenir une information locale sur les caractéristiques de la résonance acousto-optique. Le but principal de ce travail a été le développement d'une technique innovatrice pour la génération des signaux optiques, utilisant un jeu de lasers verrouillés – au lieu des techniques traditionnelles qui utilisent des modulateurs externes. La mise en oeuvre du verrouillage par injection de lasers à semiconducteur est le point central de tout le montage expérimental et représente une approche entièrement nouvelle et originale, puisqu'elle apporte des améliorations significatives en termes de rapport signal-sur-bruit (SNR) et de coûts. Au fur et à mesure que des impulsions intenses se propagent le long de la fibre, les signaux optiques peuvent être sérieusement dégradés par le truchement de plusieurs interactions non-linéaires se produisant à l'intérieur de la fibre ; on montre que l'effet non-linéaire manifestant la plus basse puissance de seuil est le processus d'instabilité de modulation (MI). De l'étude du comportement dynamique de l'instabilité de modulation, nous avons pu observer dans des conditions très confortables la récurrence de Fermi-Pasta-Ulam (FPU) sur quelques périodes. Une application originale des capteurs Brillouin a été la mesure dosimétrique des rayonnements ionisants dans un environnement radioactif. La campagne de mesure a non seulement montré que les capteurs distribués basés sur l'analyse spectrale Brillouin sont largement insensibles aux rayonnements jusqu'à des doses très élevées, mais nous a également permis d'observer pour la première fois – à notre connaissance – la compaction négative de la silice dans les fibres optiques. Les capteurs distribués basés sur la diffusion Brillouin stimulée offrent des possibilités uniques pour l'analyse des signaux optiques et des phénomènes non-linéaires dans les fibres optiques. Nous proposons une approche théorique généralisée du problème de la mesure localisée, et présentons également la première mesure distribuée – à notre connaissance – du gain paramétrique dans un amplificateur paramétrique à fibre optique (FOPA).