Etat de l’art des capteurs à fibres optiques appliqués à la réfractométrie.

La fibre optique

   Une fibre optique est un guide d’onde cylindrique de lumière constitué de deux couches concentriques : le cœur au centre entouré d’une gaine. La majorité des fibres optiques disponibles commercialement est réalisée en verre ou en polymère. Pour les fibres à base de silice, le cœur est généralement dopé avec de l’oxyde de de germanium dans le but d’augmenter légèrement son indice de réfraction par rapport à celui de la gaine constituée de silice pure. Une fibre optique est dite monomode, ou multimode selon que la lumière se propage suivant un, ou plusieurs modes. Un diamètre de cœur compris entre 5 µm, et 8 µm entraine une propagation monomode pour des longueurs d’onde le plus souvent supérieures à 1 µm. Au-delà la propagation est multimodale. Pour les fibres multimodes, le diamètre du cœur est de l’ordre de 50 µm. Pour les deux types de fibres optiques, la gaine a un diamètre externe de 125 µm. Les deux couches concentriques sont généralement entourées d’un revêtement primaire en polyacrylate de 250 µm de diamètre dans le but de donner à l’ensemble une bonne résistance mécanique. Dans le domaine des télécommunications optiques, les longueurs d’onde utilisées se situent autour de 1,55 µm, là où l’atténuation des fibres monomodes présentent le minimum d’atténuation de puissance lumineuse qui est inférieure à 0.2 dB/ Km.

Les capteurs à fibres optiques

  En accord avec la terminologie adoptée par les instances internationales de normalisation (ISO/IEC), et reprise en France par l’AFNOR, un capteur à fibres optiques (CFO) est : Un dispositif dans lequel l’information est créée dans le chemin optique par réaction de la lumière à la grandeur à mesurer, avant d’être acheminée vers le récepteur optique par l’intermédiaire d’une ou plusieurs fibres optiques. Le CFO permet dans ce cas de recueillir des informations caractérisant les grandeurs mesurées sans aucun autre apport d’énergie autre que celui des phénomènes observés. Contrairement à une transmission optique où le signal porteur de l’information est véhiculé de l’émetteur au récepteur, le chemin optique d’un CFO n’est pas passif. L’élément optique sensible à la grandeur à mesurer peut être la fibre elle-même ou bien un élément inséré dans le chemin optique.

Capteur intrinsèque, capteur extrinsèque

  Le transducteur qui le plus souvent est la fibre elle-même, est un composant au sein duquel la lumière guidée subit des modifications induites par son environnement, et qui renseignent sur le paramètre à détecter. Les grandeurs physiques qui peuvent changer l’onde optique sont l’amplitude, la phase, la fréquence, ou bien sa polarisation. Les CFO peuvent être subdivisés en trois catégories :
– Les capteurs directs : consistent le plus souvent des pyromètres ou des spectrophotomètres analysant le signal provenant de l’autre extrémité de la fibre qui permettent l’analyse directe sur une zone localisée.
– Les capteurs intrinsèques : C’est la fibre qui forme elle-même le transducteur. Le phénomène à mesurer modifie une caractéristique de la propagation de la lumière (polarisation, amplitude, longueur d’onde, biréfringence, phase, ..). Ils permettent de faire des mesures dans les zones d’accès difficiles, ou bien dans un environnement bruité. Ils sont avantageux pour leur faible invasivité, ainsi que par la possibilité de réaliser des mesures réparties. Dans ce dernier cas, une même fibre peut véhiculer plusieurs signaux de longueurs d’onde différentes autorisant ainsi le multiplexage optique.
– Les capteurs extrinsèques : Ils incluent un transducteur hybride (issu d’une technologie différente de la fibre) convertissant la perturbation qu’il subit du fait du phénomène à détecter sur l’un des paramètres de la lumière.

Constitution d’un capteur à fibres optiques

  Un capteur à fibres optiques est un dispositif comportant une ou plusieurs fibres optiques permettant de recueillir des informations représentatives des grandeurs mesurées. Les fibres utilisées le plus souvent comportent une gaine protectrice en époxyacrylate, et où leurs performances en termes de faible atténuation, et de faible dispersion ont rendu possible leurs utilisations dans le domaine de l’instrumentation. En effet, la première fibre a été mise en service en 1983. La norme ITU-T la définit dans la recommandation G 652 (les anglo-saxons parlent de SMF-28 comme (Single Mode Fiber): elle est à saut d’indice, et possède une longueur d’onde de coupure qui peut varier de 1.15 µm à 1.28 µm. Leur température d’emploi dépend essentiellement de leur conditionnement : la silice a un point de fusion à 1850°C, et peut transmettre de la lumière sans problème jusqu’à 600 ou 700°C. Pratiquement c’est l’époxyacrylate qui limite la température d’emploi de ces fibres entre – 30°C et + 60°C.

Avantages des capteurs à fibres optiques

   L’intérêt porté aux CFO est lié aux propriétés intrinsèques de ces fibres, ainsi qu’à l’architecture du capteur lui-même. Ce type de capteur présente les avantages suivants :
– Il ne perturbe pas l’environnement. Il peut notamment être employé dans un environnement explosif.
– Son insensibilité électromagnétique est pratiquement idéale (très hautes tensions, parasites électromagnétiques).
– Ses faibles dimensions, et sa légèreté lui confèrent des applications dans le domaine du biomédical. En outre, les CFO présentent d’autres avantages par rapport aux types de capteurs traditionnels comme :
– Une grande sensibilité, et une grande dynamique des mesures. En effet, les montages interférométriques permettent l’accès à des résolutions relatives de l’ordre de 10−6 de l’étendue de mesure.
– Une grande souplesse de configuration géométrique : le capteur autorise des mesures sans contact sur des objets en mouvement, ou bien dans des milieux interdisant tout contact physique entre l’unité sous test et les sondes de mesure.
– Grande fiabilité : possibilité de fonctionner à hautes températures, avec une bonne résistance aux rayonnements nucléaires. La combinaison de la fiabilité, et la tenue à l’environnement justifie son emploi dans le domaine militaire.
– L’isolation électrique entre le processus et l’instrumentation : les composants délicats sont protégés des risques électriques résultant des différences de potentiel.
– Sécurité intrinsèque généralement assurée par les faibles puissances lumineuses mises en jeu.
– Possibilité de multiplexer plusieurs signaux dans un petit volume.
– Capacité d’effectuer des mesures au moyen de capteurs répartis sur toute la longueur d’une même fibre optique ouvrant la voie vers l’exploitation de réseaux de capteurs chargés de l’acquisition de données dans les processus industriels.
– Possibilité de fabriquer des CFO à usage unique (ou jetables) avec un bon rapport qualité/prix. Aussi, ils occupent un bon positionnement dans le domaine médical. Néanmoins, les CFO présentent quelques inconvénients qui sont liés principalement à la complexité de la connectique, la limitation en température (+85°C pour les fibres en plastique), ainsi que le cout de réalisation pouvant être assez important.

La recherche – développement et le marché des capteurs à fibres optiques

   Le développement des capteurs à fibres optiques est dû essentiellement à deux avancées scientifiques importantes qui sont celles de l’invention du laser (1960), et la fabrication des fibres optiques à faible atténuation (1966). En 40 ans, leur utilisation dans le domaine des capteurs, et de l’instrumentation a constitué un thème majeur dans la recherche et développement. La disponibilité à faible coût de la technologie des fibres optiques, ainsi que des composants optoélectroniques grâce au secteur des télécommunications, a ouvert la voie dans le domaine des capteurs optiques [Grattan 2000]. Les recherches ont été motivées par les avantages des fibres optiques (faible encombrement, masse réduite, faible atténuation, immunité aux phénomènes électromagnétiques, bonne résistance aux phénomènes ionisants), pour des applications instrumentales, et pour un fonctionnement dans un environnement sévère, ou intégrés dans des structures. Différentes configurations ont été commercialisées avec succès comme le gyroscope à fibres optiques par les sociétés Ixfiber, et Hitachi. D’autres types de capteurs ont pénétré le marché comme les capteurs distribués à fibres optiques, et les capteurs à base de réseaux de Bragg. On peut citer également les capteurs distribués exploitant les effets Stokes, et anti-Stokes pour les mesures de température et de contraintes. Les plus intéressantes du point de vue fonctionnalité industrielle sont aussi la réflectométrie temporelle OTDR (Optical Time Domain Reflectometry), la DTS Raman (Distributed Temperature Sensor), La BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometry), et la BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis). Les composants optiques, ainsi que l’électronique d’interrogation associée est souvent complexe, et couteuse. Ces capteurs trouvent leurs applications pour la surveillance des structures et installations comme les pipelines dans un contexte mondial qui a fortement évolué, la Chine et l’Asie rattrapant les acteurs historiques qui sont l’Europe, l’Amérique du Nord, et le Japon. Les CFO touchent un panel élargi de secteurs de l’industrie pétrolière, de la surveillance sous-marine, la surveillance des sites en exploitation comme les mines ou bien des sites de stockage de CO2), et des infrastructures dans le domaine du génie civil comme cela est illustré sur la figure (I.1). Le marché des capteurs à fibres optiques représentait 585 Millions de dollars en 2013, et il devrait atteindre 1.458 M$ d’ici 2018, avec 70 % du marché capté par l’industrie pétrolière, selon une étude de marché réalisée par la revue Photonic Sensor Consortium en 2014.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I: Les capteurs à fibres optiques
Introduction
I.1 Définitions – Généralités
I.1.1 La fibre optique
I.1.2 Les capteurs à fibres optiques
I.1.3 Fonctions
I.1.4 Capteur intrinsèque, capteur extrinsèque
I.1.5 Constitution d’un capteur à fibres optiques
I.1.6 Avantages des capteurs à fibres optiques
I.1.7 La recherche – développement et le marché des capteurs à fibres optiques
I.2 Différents types de capteurs à fibres optiques
I.2.1 Architecture des capteurs
I.2.2 Caractéristiques des fibres optiques conventionnelles dans le domaine des CFO
I.2.3 Capteurs interférométriques
I.2.4 Les CFO à modulation de polarisation
I.2.5 Principes des capteurs répartis Raman et Brillouin
I.2.5.1 La réflectométrie sur fibre optique OTDR
I.2.5.2 La réflectométrie Raman
I.2.6 Application de la réflectométrie Raman
I.2.7 Réflectométrie à effet Brillouin
I.2.8 Applications de la réflectométrie Brillouin
I.3 Principales techniques de mesure et de démultiplexage à réseaux de Bragg
I.4 Principaux domaines d’application des capteurs à réseaux de Bragg 
I.4.1 Aéronautique, et matériaux composites
I.4.2 Applications en génie civil
I.4.3 Mesure de déformations
I.4.4 Surveillance des ponts
I.4.5 Le monitoring
I.4.6 Applications des CFO au biomédical
I.5 Les capteurs à fibres optiques (CFO) de type plasmonique
I.5.1 Généralités
I.5.2 Principes de génération d’une onde de plasmon de surface
I.5.3 Capteur plasmonique à l’aide de réseaux de Bragg inclinés sur  fibre optique
I.5.4 Exemples de biodétection
Conclusion
Références
Chapitre II: Les réseaux de Bragg fibrés
Introduction
II.1 Propagation dans les fibres optiques
II.1.1 Structure des fibres optiques
II.1.2 Théorie du guidage
II.1.2.1 Approche géométrique par la théorie des rayons
II.1.2.2 Approche modale par l’optique électromagnétique
II.1.2.3 Démarche générale
II.1.2.4 Equations de Maxwell pour les milieux diélectriques
II.1.2.5 Guides d’onde invariants en translation
II.1.2.6 Guidage faible et équation d’onde scalaire pour les fibres optiques
II.1.2.7 Modèle d’une fibre optique à saut d’indice à deux couches
II.1.2.8 Equation caractéristique des modes LP
II.1.2.9 Répartition transverses des modes propagés
II.2 Les réseaux de Bragg
II.2.1 Généralités, et Principe
II.2.2 Du réseau de diffraction aux réseaux de Bragg
II.2.3 Réseaux de Bragg à pas courts Fiber Bragg Grating (FBG)
II.2.4 Variation de la longueur du réseau
II.2.5 Réseaux de Bragg à pas Longs, Long Period Grating (LPG)
II.2.6 Variation de la longueur du réseau
II.2.7 Réseaux de Bragg à pas Inclinés, Tilted Fiber Bragg Grating ( TFBG)
II.3 Théorie des modes couplés
Références
Chapitre III: Développement de réfractomètres basés sur les réseaux de Bragg Tiltés et droits
Introduction
III.1 Etat de l’art des capteurs à fibres optiques appliqués à la réfractométrie
III.1.1 Réfractométrie à fibre optique basée sur la Réflectométrie OTDR
III.1.2 Réfractométrie basée sur la technologie des fibres microstructurées et des réseaux de Bragg
III.1.3 Réfractométrie à fibre optique standard basée sur les réseaux de Bragg
III.1.3.1 Réfractométrie basée sur les Réseaux de Bragg à Pas Longs ou LPG
III.1.3.2 Réfractométrie basée sur les Réseaux à Pas Inclinés ou TFBG
III.2 Mesures d’indices de réfraction à l’aide de réseaux Tiltés : Dispositifs et résultats
III.2.1 Inscription des réseaux de Bragg Tiltés ( TFBG) par masque de phase
III.2.2 Description du montage expérimental
III.2.3 Techniques d’interrogation des réseaux TFBG
III.2.3.1 Technique du suivi spectral
III.2.3.2 Technique du suivi de l’amplitude d’une résonnance
III.2.3.3 Méthode des aires
III.2.3.4 Méthode d’analyse, et choix de la technique d’interrogation
III.3 Mesures expérimentales, et caractérisation d’un réfractomètre à base de TFBG inscrit par la technique du masque de phase
III.3.1 Mesures expérimentales d’une eau salée
III.3.1.1 Caractérisation du réfractomètre TFBG à fibre optique
III.3.1.2 La sensibilité pour la technique d’interrogation du suivi spectral
III.3.1.3 La sensibilité par la technique d’interrogation du suivi de l’amplitude
III.3.1.4 La résolution ou limite de détection
III.3.1.5 La gamme de fonctionnement du réfractomètre
III.4 Inscription par la technique point à point d’un réseau de Bragg à pas courts excentrique par laser femtoseconde
III.4.2 Description de la source Laser femtoseconde et du système de focalisation
III.4.3 Système de focalisation
III.4.4 Système de translation
III.4.5 Avantages de l’inscription Point-par-Point par laser femtoseconde
III.4.6 Inconvénients de l’inscription Point-par-Point par laser femtoseconde
III.4.7 Alignement du banc d’inscription
III.4.8 Montage expérimental pour l’inscription des réseaux de Bragg FBG excentriques par la technique point par point
III.4.9 Mesures spectrales par analyseur de spectre
III.5 Mesures de réfractométrie d’une eau salée
III.6 Caractérisation du réfractomètre FBG excentrique
III.6.1 La sensibilité pour la technique d’interrogation du suivi spectral
Conclusion
Références
Chapitre IV : Etude, conception, et caractérisation d’un capteur dédié aux hautes températures
Introduction
IV.1 Les réseaux de Bragg à pas courts excentriques (ou assymétriques) 
IV.2 Sensibilités des réseaux de Bragg à la température
IV.2.1 Sensibilité à la température des réseaux FBG
IV.2.2 Sensibilité à la température des réseaux LPG
IV.2.3 Sensibilité à la température des réseaux TFBG
IV.3 Origines de la biréfringence dans les réseaux de Bragg
IV.3.1 La biréfringence dans les fibres optiques
IV.3.2 La biréfringence photoinduite
IV.3.3 Biréfringence due à la polarisation du faisceau d’écriture
IV.3.4 Biréfringence de forme
IV.3.5 La biréfringence causée par les contraintes extérieures
IV.4 Conséquences du dédoublement des spectres de transmission des 2 modes propres
IV.5 Le capteur de hautes températures à réseaux de Bragg innovant 
IV.5.1 Objectifs
IV.5.2 Principe
IV.5.3 Inscription par laser femtoseconde IR
IV.5.4 Description du dispositif experimental
IV.5.5 Choix du système d’interrogation
IV.5.6 Réponse du capteur à la température
IV.5.7 Mesure de la biréfringence à partir des propriétés de polarisation des réseaux de Bragg
IV.5.8 Comportement aux hautes températures des réseaux de Bragg excentriques inscrits par laser femtoseconde
IV.6 Sensibilité du capteur à la température
IV.6.1 Sensibilité du capteur à la température pour la polarisation-S
IV.6.1.1 Sensibilité du capteur à la température pour la polarisation-P
IV.6.1.2 Comparaison entre les deux polarisations
Conclusion
Références
Conclusion générale et perspectives
Références bibliographiques
Travaux Scientifiques
Publication
Articles publiés dans des conférences avec proceedings
Conférences internationals
Publication

Télécharger le rapport complet