De la sensibilité accélérométrique des oscillateurs optoélectroniques à la mesure dynamique de déformations dans les fibres optiques

From the optoelectronic oscillator acceleration sensitivity to the dynamic strain measurement in optical fiber

• Auteur / Autrice : Pierre Travers
• Direction : François Louf, Pierre-Alain Boucard, Yohann LÉGUILLON
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 26/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Magne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Angélique Rissons, Emmanuel Foltête, Mathilde Chevreuil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Angélique Rissons, Emmanuel Foltête

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs optiques

Essais dynamiques

Vibrations

Fibres optiques

Oscillateurs

Mots clés libres

Oscillateur

Vibrations

Sensibilité accélérométrique

Capteur à fibre optique

Essai dynamique

Oscillator

Vibrations

Acceleration sensitivity

Optical fiber sensor

Dynamic test

Résumé

Les oscillateurs optoélectroniques (OEO) représentent une solution alternative aux traditionnels oscillateurs à quartz pour la génération de références de fréquence de haute pureté spectrale. Pour les applications les plus exigeantes, les performances de bruit de phase doivent être maintenues dans des environnements vibratoires sévères. L'objectif de cette thèse est de comprendre les mécanismes de dégradation de bruit de phase des OEOs lorsqu'ils sont soumis à des vibrations.Pour cela, nous avons réalisé des mesures de sensibilité accélérométrique d'un OEO en soumettant un à un à ses composants à des vibrations. La dégradation du bruit de phase est principalement due à une élongation du chemin optique. Nous avons également identifié des mécanismes plus fins, via une augmentation du bruit d'intensité optique pour le MZM, ou du bruit de fréquence du laser.Dans un deuxième temps, nous nous sommes tournés vers la caractérisation de la déformation dans des bobines de fibre optique. Pour cela, nous avons utilisé un interrogateur de type OFDR sensible à la phase, qui nous a permis de réaliser des mesures sur 1 km avec 40 cm de résolution spatiale, et un taux de rafraichissement de 10 kHz. Les résultats obtenus nous permettent de mieux comprendre le comportement mécanique de la bobine de fibre.Enfin, nous avons mis en place un essai dynamique afin d'analyser plus en détails la réponse mécanique de la fibre optique sous sollicitations, et de quantifier les mesures d'élongation obtenues par l'OFDR. Cet essai a été dimensionné à partir de simulations numériques qui prédisent les champs de déformation d'une plaque métallique instrumentée avec une fibre optique. Cette prédiction est comparée à des mesures de l'interrogateur OFDR.

Optoelectronic oscillators (OEO) are an alternative solution to traditional quartz oscillators for high purity frequency references generation. For the most demanding applications, the phase noise performances must be kept in harsh vibration environments. The main goal of this thesis is to understand the phase noise degradation mechanisms occurring in OEOs when they are submitted to vibrations.To do so, we performed accelerometric sensitivity measurements of an OEO by submitting one by one its components to vibrations. The phase noise degradation is mainly due to optical path elongation. We also identified other mechanisms, through an increase of optical intensity noise in the MZM, or of laser frequency noise.In a second step, we focused on the characterization of strain in optical fiber coils. We used a phase sensitive OFDR interrogator to perform measurements over 1 km with 40 cm spatial resolution, and 10 kHz refreshing rate. The results allow to better understand the optical fiber coil mechanical behavior.Finally, we carried out a dynamical test to finely analyse the mechanical response of the optical fiber under sollicitation, and quantify OFDR-based elongation measurements. This test has been dimensioned thanks to numerical simulations which predict the strain field of a metal plate including an optical fiber as a sensor. This prediction is compared to measurements of the OFDR system.