Inscription de Guides d'Onde dans les Fibres Optiques en Silice et en Saphir et Etude de leurs Stabilités Thermiques

Inscription of Waveguides in Silica and Sapphire Optical Fibers and Study of Their Thermal Stabilities

• Auteur / Autrice : Antoine Bourel
• Direction : Géraud Bouwmans
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique des Lasers, Atomes et Molécules
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Photonique

Mots clés

Mots clés libres

Fibre saphir

Capteur

Haute température

Inscription guide d'onde

Réseaux de bragg

Sapphire fibers

Sensor

High Temperature

Waveguide Inscription

Bragg grating

Résumé

Les réseaux de Bragg sur fibres optiques, sont des structures photo-inscrites de motifs périodiques de courte longueur (millimétrique), souvent par laser femtoseconde dans le cœur des fibres optiques et agissent comme un filtre optique passe-bande en réflexion centré sur la longueur d'onde de Bragg. Cette propriété permet un multiplexage spectral et la mesure du décalage en longueur d'onde de Bragg fournit l'information recherchée. En base silice, les réseaux de Bragg permettent de réaliser des mesures de températures jusqu'à 1200°C. Pour des mesures supérieures à 1200°C, les fibres optiques en saphir sont utilisées jusqu'à des températures de 2000°C. Cependant, le comportement de guidage des fibres optiques en saphir est très multimodal. En conséquence, la mesure est moins précise et le rapport signal-sur-bruit est moins élevé que pour une fibre monomode en silice. De plus, toute modification de la surface de la fibre a un impact sur le spectre du réseau de Bragg. Le but de cette thèse (effectuée dans le cadre du laboratoire commun TowerBragg regroupant des membres du PhLAM et du CEA-LIST)) est de développer des outils et méthodes pour la maîtrise du processus de création d'un guide d'onde optique dans la fibre en saphir, permettant ainsi une réduction du contenu modal se propageant dans la fibre en saphir et in fine ouvrir des perspectives importantes en métrologie en environnements sévères (contrôle de moteur d'avions, réacteurs nucléaires, procédé thermochimiques, etc.). Une des techniques envisagées est la photo-inscription d'une gaine optique, en forme d'anneau, dont le diamètre interne – i.e. le cœur – serait de l'ordre de la dizaine de micromètres. D'autres techniques d'inscription de guides optiques telles que l'implantation ionique (collaboration envisagée avec le GANIL) sont aussi envisagées. Ces structures seraient caractérisées à haute température (2000°C) et sous très haute pression dynamique (> 10 GPa).

Fiber optic Bragg gratings are photo-inscribed structures of short-length (millimeter) periodic patterns, often by femtosecond laser in the core of optical fibers and act as a band-pass optical filter in reflection centered on the Bragg wavelength. This property allows spectral multiplexing and the measurement of the Bragg wavelength shift provides the desired information. In silica base, Bragg gratings allow temperature measurements up to 1200°C. For measurements above 1200°C, sapphire optical fibers are used up to temperatures of 2000°C. However, the guiding behavior of sapphire optical fibers is very multimodal. As a result, the measurement is less accurate and the signal-to-noise ratio is lower than for a single-mode silica fiber. In addition, any modification of the fiber surface has an impact on the spectrum of the Bragg grating. The aim of this thesis (carried out within the framework of the TowerBragg joint laboratory bringing together members of PhLAM and CEA-LIST) is to develop tools and methods for controlling the process of creating an optical waveguide in sapphire fiber, thus allowing a reduction in the modal content propagating in the sapphire fiber and ultimately opening up important perspectives in metrology in harsh environments (aircraft engine control, nuclear reactors, thermochemical processes, etc.). One of the techniques envisaged is the photo-inscription of an optical cladding, in the form of a ring, whose internal diameter – i.e. the core – would be of the order of ten micrometers. Other techniques for inscription of optical guides such as ion implantation (collaboration envisaged with GANIL) are also envisaged. These structures would be characterized at high temperature (2000 ° C) and under very high dynamic pressure (> 10 GPa).