Après deux décennies de développements, les capteurs à fibres optiques CFO offrent désormais les mêmes fonctions que les capteurs traditionnels : détection, mesure, surveillance, ... avec comme avantages les spécificités des fibres (faible encombrement, masse réduite, grande bande passante, faible atténuation, immunité aux phénomènes électromagnétiques, bonne résistance aux rayonnements ionisants...). Or, l'optique étant considérée comme relativement coûteuse, le multiplexage de nombreux capteurs sur un système centralisé, c'est-à-dire la mise en commun du système d'interrogation, trouve une part importante de sa raison d'être dans la réduction du coût de la voie de mesure, tant il est vrai que le système de mesure et de démultiplexage constitue souvent l'une des composantes essentielles du prix de l'instrumentation. En fait, le choix d'une onde lumineuse comme support physique de l'information confère à la technologie des CFO une aptitude naturelle au multiplexage : cela a donc poussé les concepteurs à rechercher des procédures qui permettent d'exploiter cette propriété de manière pratique, afin de rendre possible l'acquisition par un système unique des informations inscrites dans l'onde optique par les différents capteurs. Les différentes topologies d'interconnexion des points de mesure incluent les capteurs « répartis » où la fibre joue le rôle d'élément « continûment » sensible, et ceux « distribués » formés de points discrets de mesure le long de la fibre. Nous découvrirons que le type de capteur considéré et la méthode de démultiplexage associée sont intimement liés. Au-delà, il faut savoir que l'approche des réseaux de capteurs à fibres optiques (RCFO) fournit à l'utilisateur l'ensemble des mesures sous une forme homogène quel que soit le type de capteur relié au système (fusion de données intrinsèque).
Depuis une vingtaine d'années, les capteurs à fibres optiques (CFO), puis les réseaux à fibres optiques (RCFO) ont fait d'immenses progrès. Hier confinés au laboratoire, ils s'affichent aujourd'hui sur le terrain et ont fait l'objet de premières mondiales. Des nombreuses techniques étudiées durant la décennie 1985-1995 et validées les dix années suivantes, quelques-unes émergent. Les plus intéressantes du point de vue industriel, sans pour autant rejeter telle ou telle approche dédiée, sont incontestablement en terme de nouvelles fonctionnalités : la réflectométrie temporelle (OTDR, DTS Raman et plus récemment BOTDR et BOTDA), et bien entendu les réseaux de Bragg. Ces deux « philosophies » d'instrumentation, l'une répartie (mesures continûment sensibles), et l'autre distribuée (mesures locales) sont parfaitement complémentaires, et elles prennent désormais pied dans de plus en plus de secteurs applicatifs, en particulier liés à la surveillance des structures ou des installations.
Un deuxième dossier [R 641] sera consacré aux domaines d'application des RCFO.
Dès les années 1970, du fait l'apparition des premières fibres optiques (cf. § 1.3), certains chercheurs envisagèrent leur utilisation comme simples guides, puis en tant que capteurs, malgré l'absence des composants d'aujourd'hui (coupleurs, connecteurs, diodes laser, ...). En 1983, la première conférence dédiée, à savoir l'OFS (Optical Fiber Sensor Conference), consacra ce domaine.
La décennie 1980 foisonna d'activités, conduisant à la réalisation d'expériences de faisabilité fondées sur de multiples approches (interférométrie, polarimétrie, réflectométrie, ...) et eut pour conséquence l'établissement de concepts qui prévalent encore de nos jours. Le capteur roi était alors le Gyroscope à effet Sagnac, plus de 30 % des efforts mondiaux lui étant alors consacrés. Puis, vers 1985, apparut le concept de « Réseau de Capteurs à Fibres Optiques » (RCFO) [168], tant de la nécessité de réduire les coûts par point de mesure que de la disponibilité de circuits électroniques de plus en plus rapides [169] (cf. § 2.3). Les capteurs les plus étudiés étaient alors destinés aux mesures de température [170], grâce aux nombreux effets faisant intervenir ce paramètre.
En septembre 1989, un nouveau concept, le réseau de Bragg, fût présenté à Paris lors de la 9e conférence OFS [171]. Ce fût une révolution, tant et si bien que la décennie 90 symbolisa cette nouvelle approche, représentant depuis environ 40 % des efforts mondiaux du domaine. Parallèlement, l'expansion des télécommunications en optique guidée supporta une croissance quasi exponentielle entraînant le développement des nombreux composants autour de la technologie des réseaux de Bragg (cf. § 2.1), jusqu'en avril 2001 quand advint l'éclatement de la bulle Internet. Cette période fût également l'occasion pour les (R)CFO de sortir des laboratoires dans le cadre de démonstrations de terrain. L'un des concepts les plus marquants vit alors le jour : la « surveillance des structures » [172], aujourd'hui plus que jamais d'actualité (cf. [R 461, § 1.1.1]).
La décennie actuelle se caractérise donc par une convergence des principes mis en œuvre autour de quelques approches (réseaux de Bragg, réflectométries Raman et Brillouin, ...) aux fonctionnalités et performances particulièrement intéressantes pour leurs utilisateurs finaux. En fait, du foisonnement initial débouche un petit nombre de concepts, et certaines de ces technologies considérées comme matures ont conduit à la création d'entreprises, et malgré l'échec de certaines de ces start up, certaines d'entre elles sont sur la bonne voie.
Quelques remarques
La conférence internationale OFS se déroule avec une périodicité d'environ 18 mois, successivement en Europe, en Amérique, puis en Asie. OFS est devenue la référence du domaine des (R)CFO. Le lecteur désireux d'en savoir plus, pourra se référer à la [Doc. R 461], où sont regroupés certains liens Internet et adresses utiles relatifs à cette manifestation.
Un gyroscope détermine la vitesse de rotation d'un mobile (il en faut trois pour connaître l'ensemble de ses mouvements de rotation dans l'espace). Il se fonde sur l'effet découvert en 1913 par Georges Sagnac qui mit en évidence le déphasage créé entre deux ondes contra-propagatives au sein de l'interféromètre en anneau, qui porte désormais son nom, lorsque celui-ci est mis en rotation autour de l'axe perpendiculaire au plan de l'anneau. Les premiers gyroscopes optiques, tout d'abord laser (le gyrolaser), puis à fibre optique (FOG, Fiber Optic Gyroscope), sont nés dans les années 1970. En 1976, fut créé le premier FOG utilisant un laser He-Ne et une fibre optique multimode. Quinze ans de R&D furent ensuite nécessaires pour qu'apparaisse le premier gyroscope industriel à fibre optique. Aujourd'hui, cet instrument, désormais plus performant et moins cher, remplace peu à peu le gyrolaser dans de nombreux domaines de la navigation inertielle. De nos jours, il existe également des gyromètres en optique intégrée, moins onéreux et très compacts, mais moins performants.
L'influence de la température sur de nombreux phénomènes – un avantage lorsque l'on souhaite réaliser un thermomètre –, devient un inconvénient dès lors que l'on cherche à mesurer toute autre grandeur. Comme il convient d'assurer la sélectivité des mesures (éviter que tout capteur ne se transforme en thermomètre !), il est alors nécessaire de mettre en place des techniques de compensation ou de différentiation pour s'affranchir des effets thermiques.
