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Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12130 (2022) Citer cet article

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Détails des métriques

Un nouveau type de capteur à fibre interférométrique basé sur un schéma hybride Mach-Zehnder Fabry-Perot a été démontré expérimentalement. L'interféromètre combine les avantages d'une configuration à double trajet et d'un résonateur optique, conduisant à des résolutions de contrainte et de phase record, limitées uniquement par le bruit thermique intrinsèque des fibres optiques sur une large gamme de fréquences. En utilisant uniquement des composants disponibles dans le commerce, le capteur est capable d'atteindre des résolutions de déformation limitées par le bruit de 40 f\(\varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\) à 10 Hz et 1 f\(\ varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\) à 100 kHz. Avec une mise à l'échelle appropriée, on pense que les résolutions atto-déformation sont à portée de main dans la gamme de fréquences ultrasonores avec de tels interféromètres.

Les interféromètres à fibre optique ont suscité un énorme intérêt ces dernières années en raison de leurs applications potentielles dans la détection optique1, les communications par fibre optique2, l'informatique optique3 et l'imagerie biomédicale4,5. Les capteurs à fibre interférométrique passive (IFS), en particulier, sont capables d'atteindre des résolutions de signal extrêmement élevées, ce qui les rend particulièrement adaptés au développement de capteurs optiques ultra-sensibles6,7,8,9. Fondamentalement, tous les IFS reposent sur le même principe de fonctionnement, c'est-à-dire sonder les fluctuations optiques de phase/fréquence induites par des mesurandes externes (par exemple, déformation, température, pression, etc.) via des interférences optiques1. Afin d'optimiser la capacité d'un IFS à résoudre de petits signaux, il faut i) maximiser la réponse du capteur aux perturbations externes (c'est-à-dire la sensibilité) et ii) minimiser les bruits indésirables.

Le premier objectif peut être atteint en utilisant des schémas interférométriques présentant une discrimination phase/fréquence précise. Au fil des années, plusieurs techniques IFS ultra-sensibles ont été démontrées, notamment les réseaux de Bragg à fibres déphasées \(\pi \) (\(\pi \)-FBG)10,11,12,13, FBG à lumière lente14, 15,16,17 et interféromètres Fabry-Perot à fibres longues18,19,20,21,22,23. Parallèlement, des efforts considérables ont également été consacrés à la réduction du bruit. Étant donné que le bruit du laser d'interrogation domine généralement dans un schéma IFS passif, la plupart des recherches récentes se sont concentrées soit sur le développement de nouveaux lasers à faible bruit24, soit sur l'amélioration des techniques de stabilisation laser25.

Cependant, en fin de compte, la résolution de l’IFS est limitée par le bruit thermique intrinsèque des fibres optiques. Il existe deux types de bruits thermiques dans les fibres. Le bruit thermodynamique (également connu sous le nom de bruit thermoconducteur), qui se caractérise par une atténuation rapide aux hautes fréquences, domine généralement aux fréquences supérieures à 100 Hz26,27. Le bruit thermomécanique, qui a une caractéristique spectrale 1/f, est le mécanisme prédominant aux basses fréquences (par exemple < 10 Hz)28,29.

Réaliser une détection par fibre optique à bruit thermique limité est à la fois attrayant et stimulant : attrayant car il représente le pouvoir de résolution maximal qu'un capteur peut éventuellement atteindre ; difficile car atteindre le minuscule bruit thermique nécessite qu'un système de détection ait à la fois une sensibilité extrêmement élevée et un bruit de système très faible30,31,32. Au cours des trois dernières décennies, des efforts continus ont été déployés pour développer des capteurs à fibre optique capables de fonctionner au niveau de bruit thermique1,33,34,35,36,37,38. Généralement, deux approches distinctes ont été adoptées pour atteindre cet objectif : i) la discrimination de fréquence et ii) la discrimination de phase. Dans un schéma de discrimination de fréquence, un résonateur optique tel qu'un réseau de Bragg à fibre (FBG)37 ou un interféromètre à fibre Fabry-Pérot (FFPI)38 est utilisé pour créer une caractéristique spectrale nette (c'est-à-dire un pic de résonance) qui peut être utilisée comme discriminateur de fréquence optique très sensible. L’avantage de cette approche est que le capteur lui-même peut être très compact, généralement de l’ordre d’un mètre ou moins. L’inconvénient réside cependant dans leur incapacité à distinguer le signal de détection du bruit laser, ce qui fait souvent du laser d’interrogation la plus grande responsabilité en matière de résolution globale du capteur39. En conséquence, afin d’obtenir un fonctionnement limité par le bruit thermique avec un système de discrimination de fréquence, il faut déployer soit un laser à très faible bruit37, soit un système de stabilisation de fréquence laser très sophistiqué30,38. Parallèlement, un schéma de discrimination de phase exploite la sensibilité de phase d'un interféromètre traditionnel à double trajet, tel que le Michelson36, le Mach-Zehnder35 ou la configuration Sagnac33. Les exigences du laser d'interrogation sont bien moindres car le bruit de phase/fréquence du laser est un bruit de mode commun dans ces interféromètres. D’autre part, les capteurs à discrimination de phase sont souvent assez volumineux, avec des longueurs de bras dépassant largement les dizaines, voire les centaines de mètres, pour pouvoir atteindre une sensibilité de phase suffisante35,36. Ils sont non seulement difficiles à emballer, mais également très sensibles aux fluctuations induites par l'environnement.