Réflexions | Les capteurs optiques

Pour tout capter aux capteurs à fibre optique, nom de code « CFO » pour les initiés, vous êtes au bon endroit. Alors installez-vous confortablement, et je vous explique tout.

Mais d’abord commençons par le commencement. En l’occurrence, par une définition. Qu’est-ce qu’un capteur ? Un capteur « est un dispositif transformant l’état d’une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, telle qu’une tension électrique, une hauteur de mercure, un courant électrique ou la déviation d’une aiguille. » En d’autres mots, c’est un organe qui élabore, à partir d’une grandeur physique, une autre grandeur physique, souvent de nature électrique, utilisable à des fins de mesure ou de commande.

Les CFO sont un type de capteur qui convertit la lumière (=rayons lumineux) en signaux électriques. Vous les côtoyez fréquemment au travers d’appareils électroniques tels que les caméras, les lecteurs de codes-barres et les souris optiques. Et donc, comme les CFO sont capables de mesurer l’intensité́ ou la longueur d’onde des photons, on les utilise pour détecter un grand nombre de phénomène : l’intensité́ lumineuse, la chaleur, la présence, la couleur (et donc certains gaz ou produits chimiques). Ainsi que pour acquérir des informations numériques transmises par des conducteurs (fibres) optiques et des images.

Quelles caractéristiques et applications pour les CFO ?

Premier point à savoir, il existe des capteurs à fibre optique (CFO) extrinsèques et intrinsèques.

👉 Avec des capteurs extrinsèques, la fibre ne sert que de conduit de lumière et la mesure est effectuée par une cellule nommée optode située à l’extrémité de la fibre (par analogie à l’électrode!).

👉 Avec des capteurs intrinsèques, la grandeur à mesurer agit directement ou indirectement sur la propagation dans la fibre.

Ensuite, il faut comprendre que la grandeur à mesurer va directement ou indirectement influer sur la lumière qui traverse le capteur en créant des modulations :

➡️ d’intensité
➡️ de phase
➡️ de polarisation
➡️ de longueur d’onde.

De par leurs caractéristiques, les principaux avantages des CFO sont :

❎ l’isolation électrique : l’immunité aux champs électromagnétiques, l’insensibilité électrique, l’isolation électrique entre le processus de captation et l’instrumentation permettent de les utiliser en milieux explosif, inflammable ou corrosif,

❎ leurs dimensions : de faible poids, de dimensions réduites et ayant facilité à déporter la mesure, ils autorisent le contrôle de matières toxiques ou dangereuses à grande distance, sans contact,

❎ La fiabilité et la performance de leurs mesures : ils offrent une bonne résistance aux rayonnements nucléaires, peuvent fonctionner à haute température, ont une grande sensibilité et une grande dynamique, acceptent le multiplexage de signaux et disposent d’une très large bande passante.

Ce qui accorde 4 types de mesures :

▶️ ponctuelles : l’effet physique ou chimique est mesuré à l’extrémité de la fibre via l’optode (capteurs extrinsèques)
▶️ distribuées : elle est localisée en des points précis de la fibre (ex. réseaux de Bragg)
▶️ continues : la mesure se fait sur la longueur de la fibre (ex. mesure de 🌡, effet Raman, Brillouin,…)
▶️ ou intégrées : la réponse du capteur provient de l’ensemble des effets sur la fibre.

Les applications industrielles sont pléthoriques et concernent déjà les secteurs de l’Oil & Gas, de la Défense périmétrique, du Structural & Health monitoring, de la Géologie, de l’agroalimentaire, de la sidérurgie, du médical, etc.

Nous venons de l’aborder en détail, sous réserve qu’ils soient parfaitement intégrés dans leur environnement, les CFO offrent d’énormes potentialités et applications. Alors découvrons désormais les principaux principes physiques sur lesquels s’appuient les CFO afin de comprendre plus avant leur fonctionnement. Ils sont au nombre de trois.

L’effet RAMAN

Mais en préambule, je vous propose un petit retour aux sources concernant les ondes pour avoir les idées plus claires sur les capteurs optiques 👇

En télécommunications optiques, on distingue 2 régimes de propagation :

👉 Quand la puissance de la source est suffisamment faible pour considérer que la valeur de l’indice du matériau est invariante pour une longueur d’onde donnée, on parlera d’effet « linéaire ».
👉 Quand la puissance de la source est importante -ce qui devient le majoritairement le cas actuellement- alors la valeur de l’indice varie avec la puissance transmise. On parlera alors d’effet « non linéaire ». Effets non linéaires qui dépendent donc de facto de la puissance optique guidée.

La non-linéarité de l’indice de réfraction -liée à l’effet Kerr- est à l’origine de plusieurs phénomènes :
➡️ l’auto-modulation de phase : SPM
➡️ la modulation de phase croisée : XPM
➡️ et le mélange à quatre ondes : FWM.
Mais il existe un autre effet non-linéaire dans les fibres optiques : la diffusion inélastique.

Ce phénomène se traduit par l’apparition de signaux de longueurs d’ondes différentes de celle de la lumière incidente par transfert d’énergie des photons. Ces interactions lumière-matière sont de deux types :
❎ la diffusion stimulée Brillouin (SBS)
❎ et la diffusion stimulée Raman (SRS).

🔭 La diffusion RAMAN, découverte en 1928 par un physicien indien, est un phénomène qui a des applications et des implications dans le domaine des fibres optiques mais aussi des capteurs répartis de température. C’est une diffusion inélastique de photons pendant laquelle un échange d’énergie se produit entre la matière de la fibre et la lumière qui y circule.

Or, dans cette diffusion inélastique :
✳️ l’énergie perdue par les photons, transférée à la fibre, génère une longueur d’onde plus basse appelée Stokes.
✳️ et l’énergie gagnée par les photons, provenant de la fibre, génère une longueur d’onde plus haute nommé Anti-Stokes.
Ce qui engendre deux fréquences de part et d’autre de l’onde incidente, avec un même décalage absolu : le décalage Raman.

💡Un point essentiel pour l’application capteur réside dans la dépendance à la température du signal anti-Stokes, le signal Stokes étant quant à lui très peu sensible. Car le rapport des amplitudes Stokes Anti-Stokes dépend directement de la température et chaque mètre de fibre optique peut ainsi devenir un capteur de température 🌡

L’occasion une nouvelle fois de rappeler toutefois que l’intégration dans son environnement et la structure du câble restent cruciaux pour que le capteur capte -et fournisse- de bonnes réponses.

L’effet Brillouin.

Nous l’avons vu, de par leurs caractéristiques les capteurs optiques sont uniques. Car telle la lumière, une fibre est traversée par :
〰 une onde, d’où la notion de longueur d’onde
☀ un flot de corpuscules, appelés photons.

Or, comme tout phénomène physique, la propagation génère de fait des effets : soit linéaires, soit non-linéaires. Et les effets dits « non-linéaires » engendrent des diffusions inélastiques : Raman (SRS) et Brillouin (SBS).

📳 Les diffusions Raman et Brillouin résultent de l’interaction entre photons et phonons.
Nous venons de l’aborder, une diffusion Raman (SRS) est liée à l’énergies perdue ou gagnée par les photons, qui produit un décalage entre des longueurs d’ondes basses (Stokes) et hautes (Anti-Stokes).
Une diffusion Brillouin (SBS) est due à l’influence des vibrations. Elle induit un décalage de fréquence entre l’onde incidente et l’onde diffusée et va ainsi créer trois ondes :
〰 une onde optique monochromatique dite « de pompe » (=laser)
〰 une onde rétro diffusée inférieure en fréquence à l’onde de pompe donc de type Stokes
〰 et une onde acoustique se propageant dans le sens de l’onde incidente

Les conséquences ?
1️⃣l’onde de pompe est diffusée par l’onde acoustique, qui agit comme un réseau mobile
2️⃣les ondes de pompe et Stokes créent une onde d’interférence qui, via une électrostriction, vient alimenter l’onde acoustique.

Il existe différentes techniques de mesures :
✳️distribuée, inspirée de la réflectométrie : B-OTDA : Brillouin Optical Time Domain Analysis
✳️avec variantes fréquentielles : B-OTFA
✳️ou en combinant une mesure de puissance Brillouin spontanée et une onde pulsée injectée : B-OTDR.

Les systèmes Brillouin sont utilisés pour des mesures de température seule, quand une grande précision de mesure est requise sur de longues portée, inaccessibles aux systèmes concurrents : étude environnementale, géothermie, supervision de canalisations pour le transport de gaz ou de pétrole, de digues ou d’égouts ou encore lignes haute-tension.

Quand température et contrainte sont mesurées, on peut alors suivre les qualités mécaniques d’ouvrages bétonnés, de digues de remblais, de canalisations, tout en donnant des informations thermiques indispensables au repérage de fuites ou de points chauds d’origines diverses. Exploitation de données qui pourront aussi assurer une gestion efficace de l’énergie dans les bâtiments.

Les systèmes de capteur de température répartie (= Distributed Temperature Sensors) sont ainsi utilisés dans l’industrie pétrolière et gazière, l’industrie chimique, la géothermie, ainsi que dans la distribution d’énergie.

Effet Rayleigh

Et 1, et 2, et 3 Effets ! Après l’effet Raman (SRS) et l’effet Brillouin (SBS), l’effet Rayleigh 🔭

Dans les deux précédents paragraphes, nous avons évoqué les effets « non-linéaires » et les diffusions inélastiques de propagation d’ondes dans une fibre optique. L’effet Rayleigh lui est un effet linéaire qui engendre une diffusion élastique. Traduction : en diffusion Rayleigh, un photon conserve son énergie, et sa longueur d’onde est donc inchangée⚛️

« Oui mais Jamy, à quoi cela va-t-il nous servir en termes de métrologie ? » 📺🧐

Comme l’effet Rayleigh « fige » les éléments diffusants dans la fibre optique lors de sa fabrication, chaque fibre dispose d’une signature interférentielle propre que l’on retrouve dans les traces réflectométriques cohérentes répétées à une longueur d’onde précise, à température et contrainte constantes.

💡Une première application de Rayleigh est donc de mesurer des températures et des contraintes grâce au décalage en longueur d’onde par-rapport à la signature (DTSS).

Deux méthodes d’acquisition sont utilisées :
〰la technique OFDR avec d’excellentes résolutions mais de portée limitée
〰la réflectométrie temporelle, moins adaptée aux besoins de mesures terrain mais offrant de meilleures portées.

En outre, comme la trace réflectométrique cohérente porte la signature de la fibre, et qu’une contrainte statique appliquée change la figure interférentielle à une longueur d’onde donné, on peut également utiliser ce principe avec une contrainte dynamique : une onde acoustique 📳

💡La seconde application de la diffusion de Rayleigh concerne donc les vibrations acoustiques.

On parle alors de capteurs :
✳️ DVS : Distributed Vibration Sensing
✳️ Ou de DAS : Distributed Acoustic Sensing.
Dans le DAS, le câble à fibre optique est à la fois transporteur et détecteur (capteur) et la fibre est utilisée telle un radar : des « interrogateurs » y envoient une impulsion laser, puis enregistrent les anomalies de réflexions provenant des défauts échelonnés le long du câble.

Cela permet notamment : la surveillance des frontières et de domaines sécurisés, des études sismiques, la surveillance des voies ferrées et dans l’extraction pétrolière, d’optimiser l’efficacité des injections, des pompages et de localiser des fuites.

De manière plus classique, un réflectomètre permet aussi la mesure :
❎ d’affaiblissement local d’un connecteur, d’une épissure, d’un coupleur, etc.
❎ des distances auxquelles se situent les événements,
❎ de l’affaiblissement linéique des fibres (en dB/km),
❎ de la réflectance des éléments réflectifs comme les connecteurs,
❎ d’un tronçon de liaison combinant les différentes contributions, réflexion et rétrodiffusion (Optical Return Loss).

La description technique et détaillée que nous avons faite des capteur à fibres optiques permet de comprendre avec acuité à quel point son fonctionnement ouvre la voie, et le passage, à d’autres applications à l’avenir, dans des secteurs ou domaines encore en friche à ce sujet. Voilà notamment pourquoi Happy Industrie a pour signature Capteur d’innovations. Allons ouvrons nos imaginaires pour penser les applicatifs de demain en matière de capteurs !

Vous avez tout capté aux capteurs à fibre optique ? Tant mieux. Vous avez besoin d’autres éclairages ? À votre disposition pour en discuter 😉