Le microphone optique
Définition |
Un
microphone à fibre optique(1) monomode(2) est un capteur intrinsèque
polarimétrique qui a pour but de capter des vibrations et/ou des variations
de pression sonore, et de les restituer amplifiées par le biais d'un haut-parleur. |
Principe |
Transmission
et restitution d'un signal sonore.Le
principe de fonctionnement du microphone à fibre optique, en tant que capteur
polarimétrique, repose sur les propriétés de biréfringence
d'une fibre optique En effet, d'après celles-ci, appliquer des modifications
physiques sur la fibre engendre une modulation de la polarisation de la lumière
guidée par la fibre.Capteur
intrinsèqueUn
capteur est dit intrinsèque lorsque la grandeur physique G à mesurer
agit directement sur les propriétés physiques de la fibre et modifie
le chemin optique de la lumière dans celle-ci. Capteur
polarimétriqueLe
principe d'un capteur à modulation de polarisation ou polarimétrique
est de modifier la biréfringence D n dans la fibre optique par l'application
d'une perturbation G dont on veut mesurer la grandeur. Cette modification de D
n va entraîner un changement d'état de polarisation qui sera mesuré
en sortie de fibre et permettra de connaître G. |
(1)Structure d'une fibre optique |
La
fibre optique est un cylindre de silice diélectrique de diamètre
total de 125 mm et de très grande longueur (allant jusqu'à plusieurs
kilomètres), protégé par un cylindre en acrylate de diamètre
250 mm.Le
diélectrique est composé de deux cylindres coaxiaux en silice mais
d'indices différents : le cur (indice nc) recouvert de la gaine (indice
ng), avec nc>ng pour assurer le guidage dans le cur. La différence
d'indice est de l'ordre de 10-2 pour les fibres multimodes et de 10-2 environ
pour les fibres monomodes. |
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(2)Modes et profils d'indice |
La
fibre optique, en tant que guide d'onde, présente des modes de propagation.
On classe de ce fait les fibres en deux types : les fibres multimodes et les fibres
monomodes, en fonction de la condition V respectivement supérieur ou inférieur
à 2,405. Plus simplement les fibres multimodes sont des fibres où
la lulmiére se propage avec plusieur modes dont le nombre est limité
par la géométrie de la fibre. ( Ouverture numérique, rayon
de la fibre )Les
paramètres nodaux dans le cur et dans la gaine U et W, aussi appelés
respectivement constante de phase et constante d'atténuation latérales
normalisées, ainsi que la fréquence normalisée sont donnés
par les relations suivantes : |
U²=Rc²(k²nc²-b
²) W²=Rc²(b
²- k²ng²) V²=U²+W²=k²
(ON)² Rc² Où,
Rc : rayon du cur. nc
: indice de cur. ng
: indice de la gaine. b
: constante de propagation, k.ng<b <k.nc k
: nombre d'onde, k=2p / l =w /c. ON
: ouverture numérique. |
En
connaissant la fréquence V et le profil d'indice a , il est possible d'accéder
au nombre M de groupes de modes pouvant se propager dans une fibre par la relation
: |
M=(V².
a / (2(2+a )))^0.5 |
Les
fibres se distinguent par ailleurs par leur profil d'indice qui rend compte de
la distribution radiale de l'indice de réfraction. Il existe deux grandes
classes de profils d'indice des fibres optiques :les
fibres à sauts d'indice pour lesquelles l'indice de cur est constant
sur toute la section : a =¥ . les fibres à gradient d'indice pour lesquelles l'indice de cur varie graduellement en fonction du rayon : a =2. On pourra noter qu'il a deux fois plus de modes pour une fibre à sauts d'indice que pour une fibre à gradient d'indice. |
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Phénomène
de biréfrigence |
Milieu biréfringent |
Dans
un tel milieu, l'indice de réfraction dépend de la direction de
propagation, de l'état de polarisation et de la fréquence de l'onde
lumineuse. La vitesse de phase d'une onde électromagnétique dépend
donc de son état de polarisation et de sa direction de propagation.Mais,
il existe toujours, dans un tel milieu, deux ondes pouvant se propager sans changement.
Ce sont les modes propres de polarisation.Si
on a une biréfringence linéaire, les modes propres sont polarisés
linéairement et orientés suivant les axes lents et rapides de l'élément.Pour
une biréfringence circulaire, les états propres sont les états
de polarisation circulaires droit et gauche.Dans
le cas d'un élément présentant à la fois la biréfringence
circulaire et linéaire, les états propres sont elliptiques.La
propriété de biréfringence est une propriété
qui peut s'acquérir. En effet, un milieu initialement isotrope peut devenir
biréfringent sous l'effet d'une perturbation, celle-ci modifiant la structure
moléculaire du matériau. On parle alors de biréfringence
de contrainte. |
Biréfringence
dans une fibre optique |
Définition |
On
peut considérer que tout état de polarisation peut se décomposer
sur une base composée de deux modes de polarisation orthogonaux.Dans
le cas d'une fibre optique monomode, on choisit comme base de décomposition
des états de polarisation les deux modes propres définis précédemment.L'état
de polarisation de ces deux modes propres dépend de la nature de la biréfringence.Si
on introduit une biréfringence dans une fibre optique, alors comme l'indice
de réfraction dépend de la direction de propagation, les états
propres vont se propager avec des vitesses de phases différentes.On
définit la biréfringence comme la différence d'indice entre
les deux directions de propagation (celles des modes propres) soit: |
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On
utilise plutôt la différence entre les constantes de propagation
soit: |
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Le
déphasage alors introduit entre les deux modes propres par une épaisseur
L de fibre est: |
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Les différentes biréfringences |
Il
existe plusieurs sortes de biréfringence:La
biréfringence intrinsèque dont les causes sont dues à la
fabrication même de la fibre. La biréfringence de contrainte dont les causes sont des perturbations extérieures qui agissent sur la fibre. La biréfringence de fabricationUne fibre circulaire en silice, soumise à aucun champ extérieur pourrait être considérée théoriquement comme un milieu isotrope. En fait, dès sa fabrication la fibre a une biréfringence, c'est la biréfringence intrinsèque.Les deux principales causes de fabrication qui induisent de la biréfringence dans les fibres monomodes sont l'ellipticité du cur et les contraintes élastiques induites dans la procédure de fabrication.La valeur de la biréfringence intrinsèque des fibres monomodes est assez faible, ce que l'on vérifiera pour notre fibre. |
Longueur de battement : définition |
La
longueur de battement est une grandeur importante dans l'étude de la biréfringence
d'une fibre optique.Elle
représente en effet la longueur de propagation sur la fibre au bout de
laquelle n'importe quel état de polarisation se retrouve identique à
lui-même.Elle
caractérise donc globalement la biréfringence dans une fibre: |
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Double
rôle de la longueur de battementEn
accord avec des études expérimentales, la longueur de battement
d'une fibre optique monomode SM600 du type de celle que nous utilisons dans cette
étude du microphone à fibre optique est de 240 cm.a/
Détermination de la longueur de la fibre jouant le rôle de guide
d'ondesComme
nous l'avons déjà précisé, une partie de la fibre
optique utilisée dans le montage expérimental du microphone à
fibre optique sert uniquement à la transmission du signal. Il est donc
fondamental que l'état de polarisation transmis soit le même que
l'état de polarisation d'origine. Il faut pour cela que la longueur L de
fibre ne servant qu'à la transmission soit de longueur équivalente
à la longueur de battement Lb : L=k.Lb.b/
Détermination de la biréfringence intrinsèque.Même
si elle est faible, on ne peut pas négliger la biréfringence intrinsèque
de la fibre qui intervient dans toutes les zones du dispositif :au
niveau du contrôleur de polarisation au niveau du capteur au niveau de la zone qui ne sert que de transmetteur du signal Elle peut être calculée par la relation : D n = l / LbD n : biréfringence (différence d'indice entre les deux directions de propagation).l : longueur d'onde de la source lumineuse.Lb : longueur de battement.La connaissance de la longueur de battement, qui diffère en fonction du type de fibre utilisé, s'avère donc une deuxième fois fondamentale.Dans le cadre de notre étude, la biréfringence intrinsèque de notre fibre vaut : D n = 2,6.10^-7, ce qui est assez faible. |
Dispositif
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Le dispositif expérimental réel peut être schématiquement divisé en trois parties : |
·
Une première partie de la fibre optique a uniquement un rôle de guide
d'ondes et sert uniquement à transporter le signal lumineux. La longueur
de cette partie à l'entrée et à la sortie est équivalente
à la longueur de battement afin que l'état de polarisation transmis
soit le même que l'état de polarisation d'origine.·
Une deuxième partie de la fibre, sensibilisée au paramètre
à mesurer, joue le rôle de contrôleur de polarisation. Celui-ci
permet d'obtenir l'état et la direction de polarisation souhaités
à l'entrée du capteur afin que la réponse de celui-ci soit
optimale.·
La troisième partie est un capteur polarimétrique intrinsèque
qui est basé sur la modification de la biréfringence de la fibre
par l'application d'une perturbation. Les perturbations modifient en effet la
biréfringence et ces modifications se manifestent par un changement d'état
de polarisation à la sortie du capteurA
partir d'un tel capteur, par l'analyse de l'état de polarisation de sortie
à l'aide d'un dispositif de détection qui nous donne la valeur de
l'intensité lumineuse, on parvient à restituer le son. |