Study, analysis and experimental validation of fiber refractometers based on single-mode, multimode and photonic crystal fibers for refractive index measurements with application for the detection of methane

par Haris Apriyanto

Thèse de doctorat en Photonique et système optoélectronique

Sous la direction de Han Cheng Seat et de Olivier Bernal.

  • Titre traduit

    Étude, analyse et validation expérimentale des réfractomètres fibrès à base de fibres monomodes, multimodes, et à cristaux photoniques pour la mesure de l'indice de réfraction avec application pour la détection du gaz méthane


  • Résumé

    La mesure de l'indice de réfraction a été étudiée depuis qu'Ernest Abbé aie initialement conçu un réfractomètre en 1869, appelé le réfractomètre d'Abbé. Depuis lors, de nombreux réfractomètres ont été développés tels que le réfractomètre à prisme optique ainsi que le réfractomètre à fibre optique, en raison de leurs applications étendues pour la détection de divers paramètres physiques, biologiques et chimiques. Récemment, un grand nombre de chercheurs ont mis au point des réfractomètres basés sur des fibres optiques, exploitant des mécanismes tels que la résonance des plasmons de surface (SPR), les interférences multimodes, les fibres à réseaux de Bragg (FBG), les fibres à réseaux à longues périodes (LPG), les fibres optiques coniques et la fibre multimode à gaine dénudée. Les capteurs fibrés sont avantageux grâce à leur immunité contre les interférences électromagnétiques, passivité électrique au niveau de la sonde de détection et potentiel de mesure in situ à long terme. Cette thèse concerne le développement de modèles complets fonctionnels et précis pour les réfractomètres à fibres optiques basés sur la modulation d'intensité optique, en particulier la réfractométrie à fibre multimode à gaine dénudée ainsi que les systèmes hybrides associant fibres monomode et multimode, et un réfractomètre hybride tout fibré utilisant des fibres à cristaux photoniques. L'objectif clé de ce travail est de caractériser les performances de ces réfractomètres à fibres optiques basés sur la modulation d'intensité en termes de réponse en puissance, de sensibilité, de résolution et de dynamique de mesure. Les résultats de simulation qui sont corroborés expérimentalement démontrent que la très grande sensibilité obtenue dans la zone II (c'est-à-dire le régime de détection typiquement utilisé pour mesurer l'indice du milieu supérieur à l'indice de gaine mais inférieur ou égal à l'indice du coeur) pour tous les trois réfractomètres. Cependant, la sensibilité dans la Zone (c’est-à-dire le régime de détection pour lequel l’indice du milieu à mesurer est supérieur à celui du coeur) est très faible. Ainsi, un refractomètre fibré hybride monomode-multimode est utilisé pour améliorer la sensibilité dans la Zone III. D'autre part, la sensibilité pour la zone I (c'est-à-dire le régime de détection pour mesurer l’indice du milieu inférieur à l'indice de la gaine) a été améliorée en augmentant l'absorption des ondes évanescentes à l'aide du réfractomètre hybride tout fibré à base de fibres à cristaux photoniques à coeur solide. En termes d'application réelle du réfractomètre à fibre pour la détection biochimique, une preuve de concept pour un capteur du gaz méthane a été démontrée en utilisant les supramolécules de cryptophane-A qui permettent de piéger les molécules du méthane. Le cryptophane-A incorporé dans un film hôte à base de styrène acrylonitrile (SAN) est appliqué sur la zone dénudée du capteur comme une région fonctionnalisée. L'indice de réfraction de cette couche sensible augmente proportionnellement avec l'augmentation de la concentration du méthane, ce qui induit une variation de la puissance optique transmise dans le capteur fibré.


  • Résumé

    Refractive index measurement has been studied since Ernest Abbé initially designed a refractometer in 1869, which is named the Abbé refractometer. Since then, numerous types of refractometers have been developed by employing either the optical prism-based refractometer or the optical fiber-based refractometer, due to their wide-ranging applications such as for sensingvarious physical, biological and chemical parameters. Recently, a large number of researchers have been developing refractometers based on optical fibers, exploiting mechanisms such as surface plasmon resonance (SPR), multimode interference, fiber Bragg gratings (FBG), long period gratings (LPG), tapered optical fibers, and striped-cladding multimode fibers (MMF), for their advantages in immunity against electromagnetic interference, electrical passivity at the sensing probe, and capability to long term in-situ measurement. This thesis concerns the development of comprehensively functional and accurate models for optical fiber refractometers based on optical intensity modulation, in particular for stripped-cladding MMF refractometry as well as hybrid systems involving a combination of single-mode-multimode fiber refractometery and the all-fiber hybrid refractometer using photonic crystal fibers. A key objective of this work is to characterize the performance of these intensity-based optical fiber refractometers in terms of their power response, sensitivity, resolution, and dynamic range. The simulation results which are corroborated experimentally demonstrate very high sensitivity being obtained in Zone II (i.e. the sensing regime typically employed for measuring a sensing medium index higher than the cladding index but less than or equal to the core index) for all three types of refractometers. However, the sensitivity in Zone III (i.e. the sensing regime for which the sensing medium index is higher than the core index) is very low. A hybrid single-mode fiber - multimode fiber configuration is used to improve the sensitivity in Zone III. On other hand, the sensitivity for Zone I (i.e. the sensing regime typically employed for measuring a sensing medium index lower than the cladding index) has been improved by increasing evanescent wave absorption using the all-fiber hybrid refractometer based on solid-core photonic crystal fibers. As a further potential of the fiber refractometer for applications in biochemical sensing, the proof-of-concept for a methane gas sensor has been demonstrated using supramolecular cryptophane-A which enables to trap the methane molecules. Cryptophane-A incorporated into a functionalized film of StyreneAcrylonitrile (SAN) host is applied to a de-cladded region of the sensor as the sensitive region. The refractive index of this functionalized layer increases proportionally with increasing methane concentration, subsequently inducing variations in the transmitted optical power along the fiber sensor.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 01-09-2020


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