Laboratoire des Systèmes Photoniques EA

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Laboratoire des Systèmes Photoniques – EA 2312 N° d?ordre : 4114 Ecole Doctorale Sciences Pour l?Ingénieur ULP – ENSAIS – ENGEES - URS Optimisation d'un dispositif interférométrique de mesure de distance absolue utilisant une diode laser à cavité externe continûment syntonisable dans les bandes S et C THÈSE présentée et soutenue publiquement le 25 octobre 2002 pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur – Strasbourg I Discipline : Sciences Pour l'Ingénieur (spécialité : Optronique et systèmes) par Bertrand PÉCHEUX Composition du jury Directeur de thèse : Patrick MEYRUEIS, professeur ? Université Louis Pasteur, Strasbourg Co-Directeur de thèse : Pierre PFEIFFER, maître de conférences ? Université Louis Pasteur, Strasbourg Rapporteur interne : Alfred GOLTZENÉ, professeur ? Université Louis Pasteur, Strasbourg Rapporteurs externes : Yasser ALAYLI, professeur ? Université de Versailles-Saint-Quentin Henri GAGNAIRE, professeur ? Université Jean Monnet, Saint-Etienne

  • diode laser

  • diode laser accordable

  • réalisation d?une

  • plage finie de balayage continu en fréquence optique par analyse numérique

  • principe de l?accordabilité continue

  • sélection des composants optiques

  • plage finie de balayage continu en fréquence optique

  • contribution dans la réalisation de dépôts d?or sur fibres optiques


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Publié le 01 octobre 2002
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Langue Français
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N d ? ordre : 4114
Ecole Doctorale Sciences Pour l IngØnieur
ULP – ENSAIS – ENGEES - URS
Optimisation d’un dispositif interférométrique de mesure de
distance absolue utilisant une diode laser à cavité externe
continûment syntonisable dans les bandes S et C
THÈSE
prØsentØe et soutenue publiquement le 25 octobre 2002
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I
Discipline : Sciences Pour l’Ingénieur
(spécialité : Optronique et systèmes)
par
Bertrand PÉCHEUX
Composition du jury
Directeur de thèse : Patrick MEYRUEIS, professeur UniversitØ Louis Pasteur, Strasbourg
Co-Directeur de thèse : Pierre PFEIFFER, ma tre de confØrences UniversitØ Louis Pasteur, Strasbourg
Rapporteur interne : Alfred GOLTZEN?, professeur UniversitØ Louis Pasteur, Strasbourg
Rapporteurs externes : Yasser ALAYLI, professeur UniversitØ de Versailles-Saint-Quentin
Henri GAGNAIRE, professeur UniversitØ Jean Monnet, Saint-Etienne
Laboratoire des Systèmes Photoniques – EA 23123
Remerciements
Je remercie premiŁrement Patrick Meyrueis le directeur du Laboratoire des SystŁmes Photoniques et mon
directeur de thŁse dont jai ap? prØciØ les encouragements et les critiques constructives.
Je tiens remercier trŁs chaleureusement Pierre Pfeiffer qui fut mon codirecteur au cours des premiŁres annØes.
Il a assurØ la direction scientifique et technique de ce travail, y consacrant un temps et une Ønergie proche du
dØvouement.
Mes remerciements sad? ressent ensuite naturellement Rabah Mokdad dont le sujet de thŁse, intimement liØ au
mien, en a fait mon collaborateur privilØgiØ. C est de son idØe dap? pliquer une mØthode autorØgressive et de
notre travail en commun que sont nØs lens? emble de nos confØrences et publications.
Jex? prime ma reconnaissance Yasser Alayli, Henri Gagnaire et Alfred GoltzenØ, qui m?ont fait l?honneur d Œtre
les rapporteurs de mon jury de thŁse.
Je tiens aussi remercier Dalibor Vuki čević pour sa disponibilitØ la discussion et sa contribution dans la
rØalisation de dØp ts d or sur fibres optiques. Je remercie Ayoub Chakari pour ses conseils ØclairØs concernant
les questions relatives aux fibres optiques. Je remercie Yoshitate Takakura pour l intØrŒt particulier quil a p? ortØ
mon travail, ses conseils, et surtout ses questions, parfois dØcalØes ou dØstabilisantes, mais enrichissantes et
surtout indispensables pour prendre le recule nØcessaire et vØrifier la consistance du travail accompli. Merci
encore l ensemble des membres de ce laboratoire, qui, chacun sa mesure, en consacrant son temps, contribue
l encadrement et la formation des jeunes chercheurs et impulse une dynamique au laboratoire.
Jadres? se un dernier remerciement AndrØ Bilger pour sa contribution la rØalisation des piŁces mØcaniques du
laser cavitØ externe.Laboratoire des Systèmes Photoniques – EA 23125
Table des matiŁres
Remerciements ......................................................................................................................................................................... 3
Liste des figures........................................................................................................................................................................ 7
Liste des tableaux ................................................................................................................................................................... 10
Introduction gØnØrale.............................................................................................................................................................. 11
1 Les lasers semi-conducteur continßment syntonisables....................................................................... .......................... 13
1.1. Rappels sur les lasers semi-conducteur................................................................................... ..............13
1.1.1. Diodes laser structure Fabry-PØrot ..................................................................................... .........13
1.1.2. Modes transverses ..........................................................................................................................14
1.1.3. Condition de gain et modes longitudinaux.....................................................................................14
1.1.4. Suppression des modes latØraux.....................................................................................................15
1.2. Principe de l accordabilitØ continue....................................................................................... ..................17
1.2.1. Accord par le gain seul...................................................................................................................17
1.2.2. Accord par les modes longitudinaux.......19
1.2.3. Syntonisation du maximum de gain et des modes longitudinaux...................................................19
1.3. Technologies des lasers semi-conducteur continßment accordables en longueur d onde.....................20
1.3.1. Les lasers accordables monolithiques semi-conducteur ..............................................................20
1.3.2. Diode laser accordable cavitØ externe .................................................................................. .......22
1.3.3. SynthŁse des rØsultats concernant les diffØrents dispositifs laser examinØs...................................23
1.4. Les lasers cavitØ externe ................................................................................................ .......................23
1.4.1. Modes de sØlection de la longueur d onde d Ømission et condition daccord con? tinu ...................24
1.4.2. SØlectivitØs spectrales des cavitØ externes......................................................................................26
1.4.3. Configuration Littrow ....................................................................................................................30
1.4.4. Configuration Littman-Metcalf ou Shoshan...................................................................................36
1.4.5. Influence de la configuration sur la stabilitØ ..................................................................................38
1.5. SynthŁse...................................................................................................................................................44
1.6. Conclusion...............................................................................................................................................45
2 RØalisation dune diode laser cavitØ externe pour la mesure de distances par modulation continue de frØquence
optique..................................................................................................................................................................................... 47
2.1. Etude des tolØrances de positionnement sur les optiques de la cavitØ externe.........................................47
2.1.1. ModŁle et hypothŁses thØoriques ...................................................................................................48
2.1.2. Expression de la condition daccord partir ? des paramŁtres gØomØtriques ...................................49
2.1.3. TolØrances requises pour une plage infinie de balayage continu en longueur d onde....................50
2.1.4. TolØrances requises pour une plage finiyage continu en frØquence optique51
2.1.5. TolØrances requises pour une plage finie de balayage continu en frØquence optique par analyse
numØrique ................................................................................................................................................54
2.2. SØlection des composants optiques et dimensionnement.........................................................................58
2.2.1. Longueur d’onde.............................................................................................................................58
2.2.2. Diode laser .....................................................................................................................................58
2.2.3. Collimation59
2.2.4.Dimensionnement mØcanique ........................................................................................................59
2.2.5. SystŁme de rotation du miroir de renvoi ........................................................................................59
2.2.6. RØseau de diffraction......................................................................................................................60
2.2.7. Lame demi-onde...........................................................................................................60
2.2.8. Conclusion......................................................................................................................................61
2.3. Mesure de la plage d accord continu et des tolØrances de positionnement..............................................62
?Table des matières 6
2.3.1. Revue des mØthodes.......................................................................................................................62
2.3.2. Dispositifs expØrimentaux..............................................................................................................64
2.3.3. MØthode d’analyse..........................................................................................................................66
2.3.4. Mesures des tolØrances...................................................................................................................67
2.3.5. Estimation de la longueur de cohØrence.........................................................................................69
2.4. Conclusion...............................................................................................................................................69
3 Mesure de distances absolues par modulation continue de frØquence optique ............................................................... 71
3.1. Principe de la mØthode.............................................................................................................................72
3.1.1. Rappels d’interfØromØtrie...............72
3.1.2. VisibilitØ de la figure d’interfØrence............73
3.1.3. Principe de l’interfØromØtrie par modulation continue de frØquence optique.................................75
3.1.4. Calibrage ........................................................................................................................................76
3.1.5. Influence de largeur spectrale de la source.....................................................................................78
3.1.6. Influence de l’Øtendue de l’accord en frØquence optique ................................................................78
3.1.7. Effet des non linØaritØs...................................................................................................................79
3.1.8. Conclusion......................................................................................................................................80
3.2. Extraction de la mesure des signaux interfØromØtriques..........................................................................80
3.2.1. Comptage de franges......................................................................................................................81
3.2.2. Extraction de la frØquence de battement ........................................................................................81
3.2.3. Traitement du signal par la technique de transformØe de Fourier (TTF)........................................81
3.2.4. Traitement par une mØthode statistique, modØlisation autorØgressive (AR) ..................................85
3.3. Conclusion...............................................................................................................................................87
4 RØalisation d’un dispositif de mesure de distances absolues par modulation continue de frØquence optique et
validation expØrimentale ........................................................................................................................................................ 89
4.1. Dispositif expØrimental............................................................................................................................89
4.1.1. Description gØnØrale.......................................................................................................................89
4.1.2. Laser accordable.............................................................................................................................90
4.1.3. InterfØromŁtre objet...................91
4.1.4. InterfØromŁtre de rØfØrence ............................................................................................................93
4.2. ImplØmentation du traitement du signal.................................................................................................106
4.2.1. Analyse de Fourier................106
4.2.2. Comptage de franges....................................................................................................................107
4.2.3. ModØlisation autorØgressive...........107
4.3. Calibrage................................................................................................................................................107
4.4. Mesurages sans linØarisation..................................................................................................................108
4.5. Mesures avec linØarisation par l’interfØromŁtre de rØfØrence.................................................................110
4.5.1. Dispositif expØrimental ................................................................................................................110
4.5.2. Mesures......................110
4.6. Conclusion.............................................................................................................................................116
Conclusion gØnØrale ............................................................................................................................................................. 117
Bibliographie...................................................... 118
Liste des symboles................................................................................................................................................................ 123
Liste des acronymes................................................. 127
Laboratoire des Systèmes Photoniques – EA 23127
Liste des figures
Figure 1.1 Accord en longueur donde par dØcalage du maximum de gain de longueur
d onde λ . Le gain net par aller retour dans la cavitØ g la longueur d onde initialeg c0
λ est reprØsentØ en trait plein. AprŁs un dØcalage de ∆λ , le gain par aller retourg0 g
dans la cavitØ g λ est reprØsentØ en pointillØ.............................................................. 18c g
Figure 1.2 (a) Longueur d onde d Ømission laser en fonction du dØcalage en longueur
d onde du maximum de gain. (b) Position sur l axe des longueurs donde du mode
principal pour les valeurs (1), (2), (3) et (4) de ∆λ donnØes sur (a)............................... 18g
Figure 1.3 Longueur d onde du mode principal calage du spectre des
modes longitudinaux. (b) Position du spectre d Ømission laser pour les valeurs (1),
(2), (3) et (4) de ∆λ donnØes sur (a)............................................................................... 19p
Figure 1.4 Longueur d onde du mode principal dØmission laser en fonction de la
variation des longueurs d onde du maximum de gain et des modes longitudinaux........ 20
Figure 1.5 Laser cavitØ externe en configuration Littrow .................................................... 23
Figure 1.6 SchØma de principe de la cavitØ externe en configuration Shoshan pour le
calcul de la sØlectivitØ spectrale, (D) diode laser, (L) lentille collimatrice, (R) rØseau
de diffraction, (M) miroir mobile.................................................................................... 27
Figure 1.7 Diode laser cavitØ externe en configuration Littrow........................................... 31
Figure 1.8 CavitØ externe en configuration Littrow, continßment accordable par simple
rotation. ........................................................................................................................... 32
Figure 1.9 TolØrance selon x normalisØe par la longueur donde synthØtique en fonction
du rapport de la longueur d onde sur la taille du pas du rØseau. ..................................... 36
Figure 1.10 TolØrance selon x normalisØes par la longueur d onde synthØtique enl
fonction du rapport de la longueur d onde sur la taille du pas du rØseau. Le rØseau de
courbes est paramØtrØ par le facteur damplification des vibrations............................... 36
Figure 1.11 Configuration de laser colorant accordable en longueur donde introduite
par I. Shoshan..................................................................................................................37
Figure 1.12 ReprØsentation schØmatique de la source accordable constituØe d’une diode
laser cavitØ externe en configuration Shoshan. ............................................................ 37
Figure 1.13 ModŁle de cavitØ externe pour l Øtude de la stabilitØ en fonction de son
dimensionnement ............................................................................................................ 39
Figure 1.14 Rapport de l intervalle intermodal sur celui de la bande passante de la cavitØ
externe en fonction de la longueur optique minimum de la cavitØ laser. Le rØseau de
courbe est paramØtrØ par langle dincidence du faisceau sur le rØseau de diffraction... 41
Figure 1.15 Rappormodal sur celui de la bande passante de la cavitØ
externe en fonction du pas du rØseau de diffraction. Le rØseau de courbe est
paramØtrØ par langle d incidence du faisceau sur ce dernier. ........................................ 42
Figure 1.16 SMSR en fonction de l angle dincidence θ pour diffØrents courantsi
d injection I. .................................................................................................................... 44
Figure 2.1 SchØma gØomØtrique de la source accordable (diode laser cavitØ externe en
configuration Littman-Metcalf)....................................................................................... 48
Figure 2.2 Exemple de positionnement des optiques permettant un accord continu infini. ... 51
?
?
? ?
?
?
?
?
?
?Liste des figures 8
Figure 2.3 TolØrances de positionnement sur x ( ׀ ) et x ( o ), en fonction de la plaget
d’accord continu pour la condition d’accord de premier ordre. ....................................... 52
Figure 2.4 TolØrance de positionnement sur x , la distance entre le point pivot et le rØseau,t
en fonction de la plage d’accord continu pour le second ordre de la condition
d’accord............................................................................................................................ 53
Figure 2.5 Taille de l accord continu en GHz en fonction des rØglages x et x = x + xt l m
dans le repŁre (x1, x2)..................................................................................................... 55
Figure 2.6 Taille de l accord continu en fonction des rØglages x et x = x + x pour unt l m
dØsaccord maximum d un quart d intervalle spectral libre............................................. 56
Figure 2.7 Taille de l accord rØglages x et x = x + x pour unt l m
dØsaccord maximum d un quart d intervalle spectral libre dans une zone ØloignØe de
30 m selon la direction x de l axe de dØsaccord nul l ordre 1. .................................. 57t
Figure 2.8 EfficacitØ de diffraction absolue dans l ordre 1 du rØseau utilisØ en fonction
de l angle d incidence. Les carrØs reprØsentent l efficacitØ de diffraction pour une
polarisation du champ Ølectrique perpendiculaire aux stries, les triangles celle pour
une polarisation parallŁle aux stries. ............................................................................... 60
Figure 2.9 SchØma gØnØrale de la diode laser cavitØ externe continßment syntonisable.
TP transducteur piØzoØlectrique, P pivot de rotation, DL diode laser, AR traitement
antireflet, L lentille de collimation, λ/2 lame demi-onde, M miroir externe mobile, R
rØseau de diffraction, IO isolateur optique, C F collimateur fibrØ et FO fibre optiqueol
de sortie. .......................................................................................................................... 61
Figure 2.10 Photographie du prototype de la diode laser cavitØ externe continßment
syntonisable..................................................................................................................... 62
Figure 2.11 Dispositif expØrimental pour le rØglage de la cavitØ et la mesure de la plage
d accord continu. L collimateur, SLA source laser accordable, CF coupleur fibrØ,
RR1 et RR2 rØtrorØflecteurs, PD et PD dØtecteurs photodiode, D diffØrenceobj po obj
de longueur entre les deux bras de l interfØromŁtre de Michelson. ................................ 65
Figure 2.12 Variations typiques de la puissance optique (a) et du signal interfØromØtrique
(b) lorsque le mouvement du miroir externe de la SLA introduit un saut de mode. Sur
(a), la position du saut de mode est pointØe par la flŁche................................................ 65
Figure 2.13 Enregistrement d’un interfØrogramme obtenu pour un balayage continu de
longueur d’onde sur une plage de 8,8 nm........................................................................ 66
Figure 2.14 Taille de l’accord continu en fonction de la distance entre le point pivot et le
rØseau selon la direction perpendiculaire laxe optique de la diode laser, + Øtendues
d accord mesurØes, - valeurs thØoriques. ........................................................................ 67
Figure 2.15 Taille de l’accord continu en fonction de la variation de la distance x, +l
Øtendues d accord mesurØes, - valeurs thØoriques. ......................................................... 68
Figure 2.16 Taille de l accord continu en GHz en fonction des rØglages x et x , prØvue part l
le modŁle thØorique (a) et mesurØe (b)............................................................................ 68
Figure 3.1 Principe classique de l’interfØromŁtre de Michelson. ............................................ 72
Figure 3.2 (a) Variation de la frØquence optique en fonction du temps, (b) variation de la
frØquence du signal interfØromØtrique en fonction du temps, (c) amplitude du signal
interfØromØtrique en fonction du temps .......................................................................... 74
Figure 3.3 Architecture du dispositif de mesure. .................................................................... 80
Figure 3.4 Principe d’extraction de la phase par la technique de transformØe de Fourier
(TTF). .............................................................................................................................. 83
Figure 4.1 Configuration du dispositif utilisØ pour la mesure de distance absolue par
modulation continue de frØquence. L collimateur, SLA source laser accordable, CF
coupleur fibrØ, RR1 et RR2 rØtrorØflecteurs, PD et PD dØtecteurs photodiode,obj ref
D distance mesurer, ISO isolateur optique................................................................ 90obj
?Liste des figures 9
Figure 4.2 Enregistrement d’un interfØrogramme obtenu pour un balayage continu de
longueur d’onde sur une plage de 126 nm (a), (b) dØtail de (a)....................................... 90
Figure 4.3 Configuration de l interfØromŁtre objet. PD : dØtecteur photodiode, FO :obj
fibre optique, L collimateur, Ex : extrØmitØ de fibre inclinØe 8 , RR1 e? t RR2
rØtrorØflecteurs, D distance mesurer et CS : cube sØparateur.................................... 91obj
Figure 4.4 DensitØ spectrale de puissance d un signal interfØromØtrique linØarisØ simulØ..... 93
Figure 4.5 ModŁle d une extrØmitØ de fibre optique............................................................... 94
Figure 4.6 Rapport de la puissance P rØflØchie guidØe linfini sur celle incidente P λr i
fi -3= 1,55 m l extrØmitØ d une fibre CORNING SMF 28 (∆n = 3,6.10 , n = 1,46,c
2a = 8,3 m).................................................................................................................... 9 5
Figure 4.7 Configuration du dispositif fibrØ. PD : dØtecteur photodiode, C : connexionréf
(comportant deux connecteurs FC-APC), GIA : gel d indice adaptØ, CF : coupleur
fibrØ et E : Øpissure.......................................................................................................... 96
Figure 4.8 Variation relative de la diffØrence de chemin optique estimØe en fonction de la
tempØrature. Les croix reprØsentent les moyennes sur 20 mesures expØrimentales,
les barres dincertitude reprØsentent les Øcarts types....................................................... 99
Figure 4.9 Variation maximale de tempØrature de l interfØromŁtre fibrØ en fonction de la
-δλplage d’accord continu normalisØe compatible avec une rØsolution relative de 10
λ
6...................................................................................................................................... 100
fiFigure 4.10 Dispersion chromatique de la fibre optique monomode CORNING SMF 28. 101
Figure 4.11 Variation de l indice de groupe (+) et de l indice de rØfraction (*) de la fibre
fioptique monomode de type CORNING SMF 28 avec la longueur d onde. ............... 103
Figure 4.12 Erreurs relatives sur la diffØrence de chemin optique estimØe dues : o une
variation de la longueur d onde initiale et x une variation de l Øtendue de l accord
continu. Dans les deux cas, en l absence de variation, la longueur donde initiale est
de 1522 nm et l accord continu est de 3,2 nm............................................................... 104
Figure 4.13 Variation de l indice de groupe (o ) et de lindice de rØfraction (x ) de l air
avec la longueur d onde 760 Torr, 20 C et pour une humiditØ relative nulle............ 105
Figure 4.14 Variation relative de la diffØrence de chemin optique estimØe en fonction de
la longueur d onde. La courbe continue reprØsente le modŁle thØorique. Les croix
reprØsentent les moyennes sur 20 mesures expØrimentales, les barres d incertitude
reprØsentent les Øcarts types. ......................................................................................... 106
Figure 4.15 DensitØ spectrale de puissance d un signal interfØromØtrique non linØarisØ. .... 108
Figure 4.16 DiffØrences des estimations avec la droite la mieux ajustØe obtenues par
analyse autorØgressive (a) et par comptage (b). ............................................................ 109
Figure 4.17 Les o reprØsentent les diffØrences des estimations avec la droite la mieux
ajustØe obtenues par analyse autorØgressive, les * celles obtenues par comptage, les
barres dincertitude reprØsentent les valeurs minimales et maximales pour chacune
des positions de rØfØrence. ............................................................................................ 109
Figure 4.18 DensitØ spectrale de puissance d un signal interfØromØtrique linØarisØ. ........... 111
Figure 4.19 DiffØrences des estimations avec la droite la mieux ajustØe obtenues par
analyse de Fourier (a) et par comptage (b).................................................................... 111
Figure 4.20 Les o reprØsentent les diffØrences des estimations avec la droite la mieux
ajustØe obtenues par comptage, les * celles obtenues par analyse de Fourier, les
barres dincertitude reprØsentent les valeurs minimales et maximales pour chacune
des positions de mesure................................................................................................. 112
Figure 4.21 Mesures obtenues par analyse de Fourier et acquisition intervalles rØguliers
de frØquence optique en quatre positions diffØrentes. ................................................... 113
?
?
?
?
?
?Liste des figures 10
Figure 4.22 DiffØrences des estimations avec la droite la mieux ajustØe obtenues par
analyse autorØgressive et acquisition intervalles rØguliers de frØquence optique. ..... 114
Figure 4.23 Les o reprØsentent les diffØrences des estimations avec la droite la mieux
ajustØe obtenues par analyse autorØgressive, les * celles obtenues par comptage, les
barres dincertitude reprØsentent les valeurs minimales et maximales pour chacune
des positions de mesure................................................................................................. 115
Figure 4.24 ReproductibilitØ des mesures obtenues par analyse autorØgressive. Les +
reprØsentent les diffØrences des estimations avec la droite la mieux ajustØe. ............... 115
Liste des tableaux
Tableau 1.1 Comparaison des caractØristiques des diffØrentes configurations des lasers
accordables semi-conducteur........................................................................................ 24
Tableau 1.2 Plages d’accord continu obtenues et prØvues par deux estimateurs issus de
modŁles diffØrents pour 4 pivots de rotation particuliers................................................ 34
Tableau 3.1 Performances de quelques dispositifs de mesure de distance par modulation
continue de frØquence optique......................................................................................... 71
Tableau 4.1 SynthŁse des principaux paramŁtres limitant la rØpØtabilitØ et la linØaritØ des
rØsultats expØrimentaux................................................................................................. 112
Tableau 4.2 SynthŁse des rØsultats expØrimentaux ............................................................... 116
?