Les analyseurs de spectres optiques constituent l’ensemble des instruments et techniques utilisés dans l’étude et l’analyse des spectres optiques. Le but de ce chapitre est d’introduire les différents types d’analyseurs de spectres avec leurs caractéristiques, et leurs principes de fonctionnement.
Trois types d’analyseurs de spectres seront présentés :
– Les analyseurs de spectres basés sur l’interféromètre de Michelson
– Les analyseurs de spectres basés sur l’interféromètre de Fabry Pérot
– Les analyseurs de spectres basés sur les réseaux de diffraction .

Les grands domaines spectraux

Les analyseurs de spectres optiques sont utilisés dans un domaine spectral qui déborde largement le domaine visible. Le domaine infrarouge va jusqu’au visible (ν = 400 THz), avec une distinction entre le proche infrarouge au-dessus de 60 THz (λ < 5 µm), et l’infrarouge lointain à partir de 1 THz (15 µm < λ < 300 µm). Dans l’infrarouge, on distingue les zones de transparence de l’atmosphère ou fenêtres, des zones d’absorption (essentiellement de la vapeur d’eau et du gaz carbonique).

Le domaine visible, au sens des instruments d’analyse spectrale, est plus large que celui défini par la sensibilité de l’œil. La plupart des spectromètres de ce domaine débordent sur le proche infrarouge et le proche ultraviolet. La limite du proche ultraviolet est nette : c’est la limite de transparence de l’atmosphère due à l’absorption par l’oxygène, à 180 nm de longueur d’onde. Au-delà c’est le domaine de l’ultraviolet sous vide. [BOU]

Principe de fonctionnement d’un analyseur de spectre optique

Un analyseur de spectre optique est un appareil qui sert à échantillonner (ou à filtrer) une ou plusieurs bandes spectrales de lumière provenant d’un signal d’entrée optique. Cet analyseur est constitué d’un dispositif optique, contenant un ensemble collimateur, un élément dispersif et un miroir.  La lumière passe par un filtre accordable en longueur d’onde qui sépare les différents composants spectraux. Le photodétecteur transforme le signal optique en un signal électrique proportionnel à la puissance optique incidente. Le signal est affiché à l’écran sur l’axe vertical, en unités de puissance optique. A l’aide d’un générateur de rampe on détermine la position horizontale du signal, en unités de longueur d’onde.de cette façon, en balayant un domaine de longueur d’onde, on aura le spectre optique de la source. [MSH]

Caractéristiques des analyseurs de spectre 

Dans le domaine des communications optiques, c’est un appareil capable de mesurer les spectres des sources Laser, et doit répondre à différents critères qui sont :
◆ Plage d’opération : 1,3 à 1,6µm.
◆ Précision absolue sur la mesure : <1GHz (<0,01nm à 1,55µm).
◆ Résolution spectrale :<100GHz (0,8 nm à 1,55µm).
◆ Sensibilité : -20 dBm (10µW).
◆ Pouvoir de résolution ou résolvance : rapport λ /δλ, ou σ/δσ, ou ν/δν.
◆ Fonction d’appareil : réponse d’un analyseur spectral à un rayonnement parfaitement monochromatique.
◆ Limite de résolution : largeur à mi-hauteur de la fonction d’appareil, qui correspond à la largeur spectrale minimale δλ (longueur d’onde), δσ (nombre d’ondes) ou δν (fréquence) qu’un instrument peut détecter.
◆ Insensibilité à la polarisation.
◆ Rapidité de la mesure.
◆ Possibilité d’auto-calibration en tout temps.
◆ Possibilité d’intégration avec d’autres composants optoélectroniques (compact).
◆ Autonomie (facilité d’utilisation).
◆ Faible coût, fiabilité, robustesse, simplicité (peu encombrant).

Analyseur de spectre Fabry-Perot SAplus -200 System de la compagnie Burleigh  

Le modèle SAhij.-200 System de la compagnie Burleigh utilise le principe de l’interféromètre de Fabry-Perot. Les caractéristiques de cet instrument sont données cidessous: [MAR]
◆ Type: interféromètre de Fabry-Perot avec miroirs confocaux
◆ Plage d’opération: 250-5000 nm
◆ Finesse: >300
◆ Intervalle spectral libre « ISL »: 2 GHz
◆ Résolution spectrale: 0.00006 nm (1550 nm)
◆ Sensibilité: -60 dBm (633 nm)
◆ Temps minimum pour un balayage: 20 ms

Analyseur de spectre à réseau de diffraction 

Réseau de diffraction 

Il permet de séparer les différentes composantes spectrales d’une source lumineuse en réfléchissant ou en transmettant la lumière selon différentes directions en fonction de la longueur d’onde et de l’angle d’incidence. L’utilisation par réflexion a l’avantage de ne pas modifier la distribution spectrale de la source .

Monochromateur à réseau 

Il existe trois types de monochromateur: simple, double et à double passage. Dans ce type d’appareil, la fente de sortie permet de laisser passer qu’une bande étroite de longueurs d’onde. En pratique, le signal sur la fente de sortie contient plusieurs longueurs d’onde (sturny energy). Cette énergie non-désirée provient de réflexions internes, de diffusion causée par des imperfections et de la poussière, etc. [MAR]

Une manière efficace d’éliminer l’énergie non désirée est d’utiliser un monochromateur double. Celui-ci est constitué de deux monochromateurs simples en série. Les deux systèmes peuvent être combinés de façon à soustraire ou à additionner la dispersion des deux éléments dispersifs. Ce type d’appareil offre une plage dynamique plus élevée et par contre une sensibilité réduite à cause du nombre élevé de composants.

Le monochromateur à double passage est celui qui se révèle le plus intéressant. Un seul élément dispersif est utilisé mais le faisceau est diffracté deux fois par le même réseau. Cet appareil possède la sensibilité d’un monochromateur simple, la plage dynamique d’un monochromateur double et permet également de réduire la dépendance à la polarisation en insérant une lame λ/2 lors du deuxième passage afin d’effectuer une rotation de la polarisation.