Captation de perturbations mécaniques large bande par détection cohérente de la rétrodiffusion Rayleigh dans les fibres optiques

High bandwidth detection of mechanical stress in optical fibre using coherent detection of Rayleigh scattering

• Auteur / Autrice : Sterenn Guerrier
• Direction : Renaud Gabet, Elie Awwad
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et optoélectronique
• Date : Soutenance le 03/02/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et Communication de l'Information / LTCI
• Jury : Président / Présidente : Pierre Duhamel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Gabet, Elie Awwad, Pierre Duhamel, Luca Palmieri, Nicolas Dubreuil, Arthur H. Hartog
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Duhamel, Luca Palmieri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications optiques

Mots clés libres

Rétrodiffusion Rayleigh

Capteur distribué

Détection cohérente

Fibre optique

Rayleigh backscattering

Distributed sensor

Coherent detection

Fiber optic

Résumé

Répondant à une demande croissante de connectivité entre les individus, entre les pays et par conséquent entre les continents, les fibres optiques de télécommunications sont déployées dans le monde entier. Les continents comme les océans sont désormais quadrillés par ces réseaux dont l'importance stratégique n'est plus à démontrer. De manière plus générale, les fibres optiques sont une alternative aux capteurs électrodynamiques de vibrations, avec un atout majeur : la possibilité de détecter et localiser des phénomènes indépendants tout au long de la fibre, bien au-delà de la simple détection de ruptures de fibres et allant jusqu’à la reconnaissance de multiples signatures audio voire de la parole. Cette thèse a pour but d'étudier finement la rétro-diffusion Rayleigh dans les fibres optiques, qui permet de capter de l'information induite par des perturbations mécaniques tout le long d'une fibre. Nous étudions le potentiel des fibres optiques en tant que microphones distribués, en terme de bande passante mécanique et de sensibilité. Nous décrivons le système d'interrogation des capteurs à fibre distribués, et proposons la modélisation d'un tel interrogateur en tenant compte du multiplexage des signaux sur deux axes orthogonaux de polarisation lors de la propagation dans la fibre. Nous étudions la problématique de l'évanouissement dans la fibre : à la fois l'évanouissement de polarisation que nous parvenons à annuler grâce à la méthode d'interrogation Coherent-MIMO, et l'évanouissement cohérent que nous proposons de diminuer en recourant à une interrogation multi-porteuses électronique. Différents résultats de mesure sont également présentés dans cette thèse : nous validons le seuil de distinction du système d'interrogation sur quelques kilomètres de fibre monomodes de télécommunications, puis, sur des dizaines de kilomètres de fibres incluant des câbles déployés, nous validons la pertinence d'un système de captation par segment de fibres dans les réseaux télécom à haut débit, ouvrant ainsi la voie à des systèmes de télémétrie évoluée dédiés aux réseaux optiques de demain.

Telecommunication fibres are being deployed all over the world, connecting distant people, institutions, companies with an outstanding quality of service in terms of data rate and latency. Their strategic value in terms of global economy and daily life is now undeniable. Monitoring such an infrastructure has become mandatory, and that far beyond the standard case of breaks localization. From a broader standpoint, optical fibres are an alternative to electro-dynamic point sensors, with a strong asset: the capability to detect and localize multiple independent phenomena all along a fibre. Thus, the millions of kilometers of currently deployed optical fibre around the world constitute a huge potential base of sensors. Distributed vibration sensors have a huge potential regarding sensing of dynamic events, detecting of multiple acoustic signatures up to speech signals. In this thesis, we show how distributed optical fibre sensors can be designed on top of telecommunication fibres, namely standard single mode fibres, and we explore their potential in terms of reach, detection threshold, and sensing bandwidth. We present the interrogator systems for distributed fibre sensing and build a dual-polarization numerical model of such an interrogation system and fibre sensor. Secondly, we tackle the coherent fading issue by means of frequency diversity in the digital domain, i.e. directly applicable at the modulation of the interrogation sequences, before entering the optical domain. We developed MIMO-OFDM which retrieves independent channel estimations from a single fibre segment; the estimations are further combined, and the obtained estimations are assessed with regards to the reliability metric. Throughout this thesis, many experimental measurements were conducted, assessing the capabilities of the Coherent-MIMO interrogator on single-mode-fibre sensors in terms of reach, bandwidth, and detection threshold. We also demonstrate the co-propagation of a sensing signal along with high data rate channels, without any impact on the transmitted data, paving the way to the enhanced monitoring and telemetry in deployed telecommunication networks.