Pourquoi faire passer de l’hydrogène après la gravure de la grille ? Que se passe-t-il s’il ne passe pas ?
Lors de la fabrication des réseaux à fibres à réseau de Bragg (FBG), afin d’améliorer la photosensibilité des fibres de silice (en particulier celles dopées au germanium), les fibres sont généralement placées dans une chambre à hydrogène sous haute pression et à une certaine température pour un traitement de chargement d’hydrogène sous haute pression afin de permettre aux molécules d’hydrogène libre (H_2) de diffuser dans le cœur de la fibre.
Après avoir gravé le réseau avec un laser ultraviolet (UV), un « déchargement d’hydrogène » (Hydrogen Unloading / Outgassing) est nécessaire. Cela implique généralement un recuit thermique à haute température pour forcer la libération des molécules d’hydrogène libre résiduelles et non réagies. Si l’hydrogène n’est pas éliminé, cela aura un impact négatif grave sur la stabilité à long terme et les performances optiques du réseau.
I. Pourquoi l’hydrogène doit-il être éliminé ? (Qu’arrive-t-il s’il ne l’est pas ?)
Si le déchargement d’hydrogène artificiel n’est pas effectué après la gravure du réseau, les molécules d’hydrogène libre résiduelles entraîneront les trois principaux dangers physiques et d’ingénierie suivants :
1. Dérive à long terme de la longueur d’onde du centre de Bragg (\lambda_B) vers le côté des courtes longueurs d’onde
Lorsque les molécules d’hydrogène libre pénètrent dans le cœur, l’indice de réfraction effectif (n_{eff}) du cœur de la fibre augmente. Dans un environnement à température ambiante, ces molécules d’hydrogène, qui ne sont pas chimiquement liées au réseau de silice, s’échapperont très lentement et spontanément par diffusion vers l’extérieur de la fibre. Ce processus de diffusion naturelle peut prendre des semaines, voire des mois, à température ambiante.
Selon la formule de Bragg pour les réseaux de fibres :
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
(où \lambda_B est la longueur d’onde du centre de réflexion, n_{eff} est l’indice de réfraction effectif du cœur, et \Lambda est le pas du réseau)
Au fur et à mesure que l’hydrogène s’échappe spontanément sur plusieurs semaines ou mois, le n_{eff} du cœur diminue continuellement, provoquant une dérive continue et imprévisible de la longueur d’onde centrale du réseau \lambda_B vers le côté des courtes longueurs d’onde. Cela rend le capteur incapable de fournir une référence précise, le rendant inutilisable pour des mesures précises de température ou de déformation.
2. Génération de pertes par absorption d’hydroxyle (-OH), augmentant l’atténuation du signal optique
Sous l’effet de l’augmentation de la température ambiante, des rayons ultraviolets ou de l’irradiation lumineuse intense dans la fibre, les molécules d’hydrogène libre résiduelles (H_2) réagiront avec les défauts du réseau de verre de la fibre ou les liaisons de silice pour former des groupes hydroxyle (-OH).
Les groupes hydroxyle présentent des pics d’absorption très intenses dans la bande proche infrarouge, en particulier des bandes d’absorption fortes situées autour de 1.38 \ \mu\text{m} et 1.24 \ \mu\text{m}. Les bords de ces spectres d’absorption (queues d’absorption) s’étendent dans la bande de 1550 \ \text{nm} (bande C), la plus couramment utilisée pour les communications par fibre et la détection par réseau, entraînant une augmentation drastique de la perte de transmission de la fibre et une grave atténuation du signal, rendant impossible pour le démodulateur de détecter un spectre de réflexion de réseau avec un rapport signal sur bruit élevé.
3. Stabilité thermique extrêmement médiocre
Lors de l’utilisation, si la fibre est exposée à un environnement à haute température, la vitesse d’échappement et la vitesse de réaction de l’hydrogène résiduel s’accéléreront instantanément, provoquant un changement soudain de la longueur d’onde du réseau ou une dégradation rapide à haute température.
II. Méthodes d’ingénierie générales pour le déchargement d’hydrogène
Pour éviter les dangers mentionnés ci-dessus, après la gravure du réseau de fibres, un traitement de stabilisation par recuit thermique est généralement effectué immédiatement :
- Les réseaux gravés sont placés dans un four thermostaté (par exemple, chauffés à des températures comprises entre 80^\circ\text{C} et 120^\circ\text{C} pendant des dizaines d’heures).
- La température élevée permet aux molécules d’hydrogène libre non réagies de diffuser rapidement et complètement hors de la fibre.
- Parallèlement, le recuit thermique élimine également à l’avance certains changements d’indice de réfraction d’état de transition instables causés par l’exposition aux ultraviolets, permettant ainsi d’obtenir des réseaux de fibres de haute qualité avec des caractéristiques spectrales à long terme, une longueur d’onde centrale et une réflectivité extrêmement stables.
III. Technologies de produits de réseau associées de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)
En ce qui concerne les processus de gravure et de recuit des réseaux, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. propose deux types de produits de réseaux nus fabriqués selon différents procédés physiques :
1. Réseaux gravés par UV traditionnels (nécessitant chargement et déchargement d’hydrogène)
Ces réseaux sont gravés à l’aide d’une méthode d’irradiation par masque UV traditionnelle. Avant la gravure, la fibre doit subir un chargement d’hydrogène sous haute pression. Après la gravure, un traitement de déchargement d’hydrogène et de stabilisation par recuit thermique est indispensable pour garantir la stabilité de la longueur d’onde lors du fonctionnement à long terme, avant d’appliquer un nouveau revêtement avec des matériaux tels que le polyimide.
OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
2. Réseaux gravés par laser femtoseconde (sans chargement ni déchargement d’hydrogène requis)
Si vous souhaitez éviter complètement les processus de chargement et de déchargement d’hydrogène, ainsi que les dommages mécaniques dus au retrait du revêtement, vous pouvez opter pour les réseaux gravés par laser femtoseconde. Les lasers femtoseconde modifient directement l’indice de réfraction du matériau grâce à une absorption non linéaire multiphotonique avec une puissance instantanée extrêmement élevée. Aucun chargement d’hydrogène n’est nécessaire avant la gravure, éliminant ainsi à la source les problèmes de diffusion de l’hydrogène résiduel et de pertes par hydroxyle. Ces réseaux offrent une stabilité naturelle de la longueur d’onde à long terme et une excellente résistance aux températures élevées.
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
