Capteurs à fibres optiques à réseaux de Bragg - Fabrication et caractéristiques

La silice est la forme naturelle du dioxyde de silicium (SiO₂) qui, sous sa forme amorphe (dite aussi « désordonnée »), est utilisée dans la fabrication de la très grande majorité des fibres optiques, du fait de son exceptionnelle transparence dans le domaine visible et surtout le proche infrarouge. Pour cette découverte, le chercheur américano-britannique d’origine chinoise Charles Kao obtint le prix Nobel de physique en 2009 « Pour ses réalisations remarquables en matière de transmission de la lumière dans les fibres pour la communication optique » .

Nota : en 1965, avec George Hockham, Charles Kao en étudiant les propriétés de la silice mena un travail visant à obtenir des fibres optiques (à l’époque dénommées Dielectric-fiber surface waveguides) à même d’être utilisées comme support de transmissions et démontra que les pertes, très élevées à l’époque (> 200 dB/km dans le visible), provenaient de la présence d’impuretés et non d’un problème sous-jacent à leur conception en tant que guide. Les diverses origines de pertes furent analysées, et les tests réalisés montrèrent qu’une fibre de diamètre de cœur 100 fois la longueur d’onde et 1 % comme écart d’indice cœur-gaine pouvait opérer en régime monomode. Il précisa que l’atténuation devrait demeurer bien inférieure à 20 dB/km pour permettre leur utilisation en télécoms, et prédit que ceci deviendrait possible vers 600 nm dès lors que le taux résiduel d’impuretés métalliques serait réduit à 10^-6. Mais naturellement ce n’était que le début, puisqu’avec une meilleure maîtrise des procédés de fabrication, et à force de purification de la silice, la limite basse fixée par la diffusion de Rayleigh a désormais été atteinte vers 1,55 µm, légèrement inférieure à 0,2 dB/km (cf. § 1.3), rendant possible les transmissions numériques, cette fois sur de très longues distances.

De nos jours, il est presque devenu banal de rappeler l’utilisation massive des fibres optiques de silice, ou plus exactement de type germanosilicate du fait de la présence du dopant germanium dans le cœur du guide, depuis les liaisons intercontinentales et les réseaux locaux, jusque dans l’habitat (FTTH), pour répondre aux besoins croissants d’échanges massifs de données* .

Nota 1 : un réseau FTTH (Fiber to the Home), dans lequel la fibre est déployée jusque chez l’abonné, permet l’accès à Internet à très haut débit. Ces réseaux terrestres remplacent progressivement ceux ayant historiquement servi à la distribution (téléphone, télévision par câble) en offrant des débits 50 fois supérieurs à ceux de l’ADSL 2+. Dans l’hexagone, surtout depuis la promulgation de la loi de modernisation de l’économie du 7 août 2015, diverses collectivités territoriales ont entamé le déploiement de leurs propres réseaux d’initiative publique, pour pallier les disparités de la couverture nationale. Lorsque la fibre est utilisée de bout en bout, on parle de « boucle locale ». On trouve aussi le sigle FTTO (Fiber To The Office, « Fibre jusqu’au bureau »).

Nota 2 : *actuellement, la capacité de transmission de données d’une fibre monomode dépasse le terabit/s (1 Tbit/s = 10¹² bit/s). Cet ordre de grandeur équivaut à transporter l’encyclopédie Universalis chaque milliseconde à travers une fibre. La longueur totale de fibre déployée sur la planète est estimée à plus d’un milliard de km (25 000 fois le tour de la Terre) et, du fait du déploiement de la 3G et de la 4G, plus de 360 millions de km de fibres ont été fabriqués en 2016, et environ 400 millions en 2017. La moitié est d’origine chinoise.

Parallèlement, mais cela reste bien moins connu du grand public, il a été établi depuis quatre décennies que les fibres optiques peuvent aussi jouer le rôle d’excellents transducteurs de mesure.

Nota : un « transducteur », à ne pas confondre avec un « capteur », est un élément qui transforme, grâce à une loi physique, la grandeur d’entrée à mesurer en une grandeur observable. Par exemple dans un simple thermomètre médical, l’alcool constitue l’élément transducteur et on utilise la variabilité de son volume avec la température (modélisée par son coefficient de dilatation thermique) pour la déterminer. Une fois inséré dans le conditionnement constitué par un capillaire, l’ensemble transformant les modifications volumiques du liquide en variations de hauteur dans cette colonne graduée constitue le « capteur ». Dans les CFO à réseaux de Bragg, l’élément transducteur est le réseau photo-inscrit dans la fibre, elle-même éventuellement insérée dans un « conditionnement », et l’ensemble forme un capteur à réseau de Bragg.

En fait, c’est paradoxalement en cherchant à immuniser les transmissions de données de l’influence de l’environnement que, vers la fin des années 70, apparut l’idée d’employer les fibres optiques comme éléments transducteurs. Tout cela découle de la constatation que si l’environnement agissant sur une fibre (température, contraintes, champs électromagnétiques…) ne perturbe pas, ou très peu, l’information codée en intensité qu’elle véhicule (les informations numériques sont codées sous forme de bits, à l’aide de « 1 » [présence de lumière] et de « 0 » [absence de lumière]), par contre celui-ci influe directement sur d’autres paramètres de l’onde optique tels que la phase, l’état de polarisation, la longueur d’onde, etc. Dès lors, les développements consacrés aux capteurs à fibres optiques (CFO) débutèrent, et depuis ce domaine regroupe une communauté internationale très dynamique qui se côtoie périodiquement, en particulier dans le cadre de la conférence internationale OFS.

Nota : depuis 1983 (OFS1, Londres), Optical Fiber Sensors est la principale conférence de la communauté des CFO. Son organisation est confiée tous les 18 mois à un laboratoire de R & D ou à une université, voire à une société, basé cycliquement en Europe, en Asie puis en Amérique. Depuis 1998, en alternance avec OFS, se déroule également EWOFS, le Workshop européen portant sur les mêmes thématiques.

La fin des années 70 et les suivantes permirent aux pionniers de l’optique guidée d’explorer les potentialités de ce composant innovant : la fibre optique – initialement multimode, puis progressivement monomode (unimodale) – dont les qualités leurs donnèrent les moyens de mettre au point des expériences de laboratoire inédites dans le secteur de la mesure et, parallèlement, d’initier en télécommunications optiques des projets, préfigurant ce que nous connaissons aujourd’hui.

Dans le domaine des CFO, les années 80 furent celles de la découverte des nombreuses possibilités de mesure offertes par les premières fibres monomodes associées à quelques composants tout-fibre devenus disponibles (coupleur, polariseur…), sans oublier certains matériels de laboratoire (réflectomètre optique, soudeuse pour fibres…). Un grand nombre de principes furent dès lors explorés tels ceux qui, mobilisant une grande partie de la R & D internationale, mirent en œuvre l’interféromètre de Sagnac pour le développement du gyromètre (ou gyroscope) à fibre optique, en réponse aux besoins de la navigation inertielle, ainsi que du capteur de courant fondé sur l’effet Faraday, puis de l’interféromètre de Mach-Zehnder pour la réalisation d’hydrophones (tant pour équiper les sous-marins que pour l’écoute passive en fond de mer), et bien sûr celui de Michelson pour certains besoins métrologiques. Ce fut clairement l’époque de l’interférométrie tout-fibre.

En 1986 apparut la notion de réseaux de capteurs à fibres optiques (RCFO), de type « distribué » (mesure multi-ponctuelle), dans lequel les capteurs sont séparés par de la fibre de liaison sans fonction transductrice mais aussi – et ce fut la première révolution en termes de fonctionnalités – de type « réparti » (mesure continue le long de la fibre sensible du profil du, ou des, paramètre(s) d’influence). Dès cette époque, il fut aisé d’observer le partage des activités entre plusieurs types de grandeurs (température, pression, rotation, intensité et tension électrique, dose de rayonnements, déformations, etc.) .

Puis, dès le début de la décennie 90, les premiers produits commerciaux apparurent, tels le thermomètre LUXTRON fonctionnant grâce à une mesure bichromatique de la florescence d’un composé chimique déposé en extrémité de fibre, et bien sûr le DTS Raman (Distributed Temperature Sensor)* alors commercialisé par le société anglaise York Technologies, qui fournit une mesure intrinsèquement sélective du profil de température le long de la fibre, sans oublier quelques systèmes qui permettent de multiplexer temporellement plusieurs CFO unitaires. À ce propos, citons le réseau Optonet pour capteurs optiques tout-ou-rien de Photonetics, la PME française de référence à cette époque, et celui à codage spectral dénommé Frascan d’Optofra, alors filiale de Framatome, pas encore devenue Areva. Cette période fut aussi celle de l’ouverture des laboratoires à des démonstrations de terrain, ce qui devint une épreuve darwinienne pour ces technologies n’ayant jusqu’alors conduit qu’à des expériences de laboratoire et des publications. De fait, seules les techniques les plus robustes survécurent, dont celle fondée sur les réseaux de Bragg** qui peut être considérée comme la 2^nde révolution technologique et devint l’emblème des capteurs distribués dès 1989 ). Enfin, les différentes méthodes de réflectométrie dédiées à l’instrumentation mettant en œuvre les phénomènes de rétrodiffusion dans la silice furent également développées, à savoir les effets Raman (cf. le DTS déjà évoqué), puis Brillouin (mesures réparties de température et de déformations) dont la technique commença à être proposée commercialement vers la fin du siècle dernier.

Nota 1 : * le vocable « capteur réparti » devient Distributed Sensor en anglais, et « capteur distribué » se traduit par quasi-distributed sensor.

Nota 2 : York Technologies fut une PME pionnière dans la commercialisation du DTS, elle deviendra SENSA, puis finalement une branche du parapétrolier Schlumberger en 2001, compte tenu des applications qu’adresse cette société dans le domaine pétrolier en particulier offshore (e.g. collecte des données géologiques et de surveillance des installations, qu’elle revend aux compagnies pétrolières). L’un des principaux objectifs de l’exploitation d’un gisement consiste à garantir une production ininterrompue, c’est le « flow insurance ». Ceci implique de contrôler le profil thermique au sein des risers [conduites reliant le « réservoir », la nappe de pétrole située dans le massif géologique sous-marin, au FPSO la barge de stockage flottant jusqu’à 2 km plus haut], afin de détecter un éventuel point froid le long de cette conduite, signe d’un défaut d’isolation qui impliquerait la mise en service des câbles chauffants qu’elle contient afin d’éviter toute formation d’hydrates pouvant conduire à un « bouchon » bloquant la production. De fait, la surveillance du profil thermique de nombre de ces conduites est aujourd’hui assurée par fibres optiques et systèmes de mesure de type DTS Raman.

Nota 3 : ** en 1915, Sir William Lawrence Bragg et son père, Sir William Henry Bragg obtinrent le prix Nobel de physique « Pour leurs services dans l’analyse de la structure cristalline au moyen de rayons X ». Ce fut la seule équipe père-fils qui ait jamais gagné le prix Nobel de physique, et Lawrence Bragg en fut le plus jeune lauréat. Leur travail porta sur la loi qui porte leur nom, développée par William Lawrence en 1912, concernant les interférences constructives des rayons X diffractés par différents plans cristallins. C’est en leur hommage, que les réseaux de Bragg ont ainsi été dénommés, même si les ondes concernées par les réseaux fibrés sont plutôt situées dans le visible et le proche IR.

La fin de la décennie 90 et les premières années du millénaire furent aussi celles du « boom » des télécoms optiques, malheureusement suivi dès avril 2001 de l’initiation d’un « crack » induit par l’explosion de la bulle Internet, qui se propagea à toute la communauté des fibres optiques et de l’optoélectronique. Durant cette folle période, qui perdura plusieurs années, des dizaines de PME des télécoms disparurent, mais d’autres virent le jour sur la thématique des (R)CFO. Certaines s’investirent dans le développement des capteurs ou des systèmes optoélectroniques, tandis que d’autres s’intéressaient aux applications, au déploiement des solutions sur le terrain, ou aux services associés. La rétrodiffusion de Rayleigh (fondement de l’OTDR Télécom) fut revisitée dans les années 2000–2010, conduisant à l’avènement d’un instrument de mesure répartie de température/déformations dénommé OBR (Optical Backscattered Reflectometer) de résolution spatiale centimétrique . Dans le même temps, la R & D permit l’avènement d’une troisième révolution technologique avec les « fibres à cristaux photoniques » .

Pour clore cet historique, la figure 1 illustre l’importance des communications scientifiques consacrées aux réseaux de Bragg, publiées dans les actes de la conférence OFS depuis la toute première en 1988. Cet histogramme reflète bien les activités de R & D au niveau mondial dans ce domaine.