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Article

1 - DOMAINE DES CAPTEURS ET RÉSEAUX DE CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES (CFO ET RCFO)

2 - RÉSEAUX DE BRAGG EN OPTIQUE GUIDÉE

3 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

4 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : R6735 v2

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

Auteur(s) : Pierre FERDINAND

Date de publication : 10 juil. 2018

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RÉSUMÉ

La technologie de mesure fondée sur les capteurs à réseaux de Bragg offre d’incomparables avantages liés aux qualités des fibres optiques monomodes en silice, principalement de type télécoms, au sein desquelles sont photo-inscrits les réseaux de Bragg transducteurs. Grâce à divers bancs optiques et régimes de fonctionnement des lasers, des réseaux de plusieurs types peuvent être photo-inscrits dans le cœur des fibres et présenter des sensibilités, des domaines d’emploi, et plus globalement des caractéristiques spécifiques. Nus ou conditionnés pour un usage particulier, ou pour réaliser la transduction d’un paramètre recherché par l’utilisateur, les réseaux de Bragg et les capteurs éponymes offrent désormais une large palette de solutions pour la mesure dans divers secteurs industriels, ainsi qu’en conditions extrêmes.

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ABSTRACT

Fiber Bragg Grating sensors - Photo-writing processes, and specifications

Fiber Bragg Grating sensors’ technology offers various advantages related to the qualities of telecoms single-mode silica-based optical fibers in which grating-transducers are photo-written. Thanks to dedicated optical benches and lasers operating modes, several types of Fiber Bragg Gratings can be photo-written in the fiber core, to offer various sensitivities, dynamic ranges, and specific characteristics. Nude or packaged, for a particular field of application, or to transduce a given parameter, Fiber Bragg Gratings and related sensors, offer a wide range of sensing solutions for various industrial fields, as well as in harsh environmental conditions.

Auteur(s)

  • Pierre FERDINAND : Docteur d’État ès sciences - Expert consultant - Directeur de recherches et conseiller scientifique au CEA Saclay

INTRODUCTION

Lécouverts fin des années 80, les « réseaux de Bragg » sont des réseaux de diffraction réalisés au sein du cœur des fibres optiques monomodes, majoritairement de type germanosilicate. Un réseau de Bragg est classiquement obtenu par insolation locale du cœur de la fibre, à l’aide d’une figure d’interférences laser, qui a pour effet de créer une modulation de son indice de réfraction, grâce au phénomène de photosensibilité de la silice dopée notamment au germanium.

Une fois réalisés, lorsqu’on les illumine à l’aide d’une source optique spectralement large, du fait des interférences (constructives en réflexion) ayant lieu au sein de cette modulation d’indice, de tels réseaux – dits « droits à pas courts » – jouent le rôle de réflecteurs, chacun pour une bande spectrale fine centrée à leur longueur d’onde caractéristique λ B = 2.n e.Λ (avec Λ ~ 0,5 µm le pas des interférences et donc du réseau, et n e l’indice effectif ~ 1,45 du mode de propagation).

Toute modification de ces paramètres ayant pour effet de « déplacer » spectralement la raie de Bragg, son suivi fin permet de remonter aux paramètres inducteurs. Ainsi, au-delà de son utilisation comme filtre spectral dans le domaine des télécommunications optiques, les réseaux de Bragg jouent également le rôle d’excellents transducteurs qui nus, ou convenablement conditionnés, deviennent des capteurs de divers paramètres (température, déformation, pression, angle, accélération, indice de réfraction, etc.).

Autre avantage, ces « capteurs à réseaux de Bragg », du fait de leur réponse dans le domaine spectral, peuvent aisément être interrogés et multiplexés en longueur d’onde, par un système de mesure déporté, l’ensemble formant ainsi un « réseau de capteurs distribués ».

Du fait des performances remarquables des capteurs à réseaux de Bragg et de leurs instrumentations de mesure-démultiplexage, de nombreuses applications ont progressivement vu le jour. Leurs domaines d’emploi sont désormais très vastes et répondent aux besoins et problématiques de la surveillance, comme celle des structures (génie civil, aéronautique, marine…), et du contrôle santé des matériaux (composites organiques, béton, matériaux métalliques, etc.).

De nombreux produits sont commercialisés à disposition des utilisateurs et, simultanément, la R & D se poursuit au niveau mondial, les enjeux actuels portant par exemple sur la possibilité d’adresser les mesures extrêmes. Il en va ainsi du domaine cryogénique (réservoirs de lanceurs spatiaux, transport de gaz naturel liquéfié, recherche…), et surtout des très hautes températures (sidérurgie, aéronautique, nucléaire…), ce qui passe nécessairement par des techniques laser d’inscription particulière pour les réseaux, dont la structure interne est dédiée et le conditionnement spécifique.

Cet article a pour but de présenter la technologie des divers types de réseaux de Bragg (droits, inclinés, à pas variable, longue-période…) ainsi que les procédés d’inscription correspondants (holographique, par masque de phase, point-à-point, sur tour de fibrage, par laser femtoseconde, etc.). Les grandeurs d’influence mesurables, tant par les réseaux de Bragg transducteurs seuls qu’une fois conditionnés en capteurs, sont également présentées, de même que leurs sensibilités et gammes de mesure.

Pour tout lecteur, ce document sera avantageusement complété par une consultation de l’article [R6736] dédié à l’état de l’art des systèmes de mesure-démultiplexage, qui servent à interroger ces réseaux de capteurs de type Bragg, et tout naturellement aux nombreuses applications qui en découlent.

Encadré 1 – Contexte historique

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 2nde 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.

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KEYWORDS

optical fiber   |   Optical Fiber Sensor   |   photosensitivity   |   Fiber Bragg Grating   |   quasi-distributed sensor

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-r6735


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3. Conclusion et perspectives

Nous venons de voir que la technologie de mesure fondée sur les réseaux de Bragg possède de nombreux atouts, qui tiennent d’une part à leur sensibilité et à la linéarité de leur réponse aux paramètres souhaités par les utilisateurs (température, déformation, pression…) et, d’autre part, aux possibilités de multiplexage liées à la finesse des réseaux. En plus des propriétés traditionnelles apportées par les fibres optiques (immunité électro-magnétique, faible poids et petites dimensions, résistance aux environnements sévères…), la mesure par réseaux de Bragg présente l’avantage déterminant (par rapport à d’autres méthodes optiques) de pouvoir être référencée de manière absolue, et donc de rendre possible les déconnexions et reconnexions des capteurs ou du système de mesure, sans nécessiter de recalibrage (contrairement aux mesures interférométriques par exemple) puisque la mesure spectrale est une « signature » indépendante des fluctuations d’intensité. L’état de l’art de cette technique permet de réaliser des acquisitions de qualité déportées à longue distance, les mesures pouvant s’effectuer par comparaison à un état de référence pré-enregistré.

Grâce aux technologies laser (argon, excimère, CO2, femtosecondes…) et aux procédés interférométriques permettant de les photo-inscrire dans le cœur des fibres monomodes, de nombreux types de réseaux de Bragg (droit, blazé, à pas variable, à saut de phase, à longue période, etc.) ont été développés ces deux dernières décennies en réponse à des demandes adressant des conditions de mesure de plus en plus exigeantes, atteignant parfois les domaines extrêmes. Si bien que, pour ne citer que le paramètre température, il est clair que les réseaux de Bragg apparaissent comme les transducteurs offrant la plus large dynamique de mesure qui soit, allant du cryogénique à typiquement 1 200 °C-1 300 °C.

Naturellement, fondés sur ce formidable microtransducteur qu’est le réseau de Bragg fibré, de nombreux capteurs ont également été développés pour élargir la palette des mesurandes à d’autres grandeurs et paramètres requis par les besoins des utilisateurs. Si bien que la technologie des capteurs à réseaux...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KAO (K.C.), HOCKHAM (G.A.) -   Dielectric-fiber surface waveguide for optical frequencies.  -  Paper 5033 IEE Proc., July 1966, ré-édité dans IEE Proc., Vol. 133, Pt. J, No 3, pp. 191-198, June 1986.

  • (2) - OBJECTIF FIBRE -   Installation d’un réseau en fibre optique dans les constructions neuves à usage d’habitation ou à usage mixte.  -  Guide pratique (2016). http://www.objectif-fibre.fr/wp-content/uploads/2016/11/251116-Guide-Immeubles-neufs-BD.pdf

  • (3) - FERDINAND (P.) -   Capteurs à Fibres Optiques et Réseaux associés.  -  251 pages, 32 pages couleurs, ISBN 2-85206-781-1, Éditions Techniques et Documentation LAVOISIER, 11, rue Lavoisier, F 75384 Paris Cedex 08 (1992).

  • (4) - FERDINAND (P.) -   La saga des Capteurs à Fibres Optiques depuis 35 ans.  -  Colloque 2013 du Club Contrôles et Mesures Optiques pour l’Industrie, de la Société Française d’Optique, Orléans, 18-21 nov. 2013.

  • (5) - FERDINAND (P.) -   Réseaux de capteurs à...

1 Projets cités

Projet européen COSMUS (Real-Time Modelling and C ompensation O f S oil M ovements on U nderground S ites). Réf. : BRPR960235 ; Pilote : Solétanche-Bachi [France]. Partenaires : CEA (France), Glötzl (Allemagne), EPFL-LC (Suisse), Tractebel (Belgique) et Cambridge Univ. (Angleterre).

Optical Transducer Systems. Projet danois financé par la Danish National Advanced Technology Foundation. Partenaires : Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement A/S, Ibsen Photonics A/S (analyseur spectral), DPA Microphones A/S (capteurs acoustiques), ainsi que les départements pour la photonique et les nanotechnologies de l’université technique du Danemark (DTU).

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2 Annuaire

Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs

Les principaux acteurs sont répertoriés dans le tableau A.

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3 Données statistiques et économiques

À l’occasion de la décennie 90, les acteurs impliqués dans les technologies de fabrication mais aussi dans la compréhension...

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