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 cœur (indice nc) recouvert de la gaine (indice ng), avec nc>ng pour assurer le guidage dans le cœur. La différence d'indice est de l'ordre de 10-2 pour les fibres multimodes et de 10-2 environ pour les fibres monomodes.
(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 cœur 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 cœur.
nc : indice de cœur.
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 cœur est constant sur toute la section : a =¥ .
les fibres à gradient d'indice pour lesquelles l'indice de cœur 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.
 
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:
On utilise plutôt la différence entre les constantes de propagation soit:
Le déphasage alors introduit entre les deux modes propres par une épaisseur L de fibre est:
 

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 fabrication
Une 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 cœur 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:
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
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.
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