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Article

1 - RAPPELS : FIBRES OPTIQUES ET CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES CFO

2 - TECHNIQUES DE MULTIPLEXAGE-DÉMULTIPLEXAGE DES RCFO

3 - CONCLUSION

4 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : R460 v3

Rappels : fibres optiques et capteurs à fibres optiques CFO
Réseaux de capteurs à fibres optiques - Mesures et multiplexage

Auteur(s) : Pierre FERDINAND

Date de publication : 10 déc. 2020

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RÉSUMÉ

L’avènement des fibres optiques de très grande qualité, en particulier monomodes, pour le secteur des télécommunications, a progressivement permis le développement de nombreux concepts de Réseaux de Capteurs à Fibres Optiques de type réparti (continument sensible) et distribué (multi-ponctuel), grâce à une R&D mondiale foisonnante depuis quatre décennies. Progressivement, les concepts et les réalisations les plus matures technologiquement ont été commercialisés. Il s’agit successivement des systèmes de mesure optoélectroniques et des capteurs tirant profits des trois phénomènes de diffusion de la lumière, Rayleigh, Raman et Brillouin, prenant naissance dans les fibres de silice ainsi que des réseaux de Bragg transducteurs photo-inscrits par laser dans leur cœur. Leurs performances et spécificités de ces instrumentations, les rendent le plus souvent sans égal avec d’autres technologies de mesure.

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INTRODUCTION

Dès les années soixante-dix, du fait de leur disponibilité, les premières fibres optiques (multimodes), furent utilisées comme guides pour les communications , puis comme capteurs, malgré l’absence des composants actuels (coupleurs, connecteurs, diodes laser, …).

En 1983, la première conférence, dédiée aux Capteurs à Fibres Optiques (CFO), à savoir l’OFS (Optical Fiber Sensor Conference), consacra le domaine. Puis, la décennie quatre-vingt foisonna d’activités conduisant à de nombreuses expériences de faisabilité (interférométrie, polarimétrie, réflectométrie, …) et à l’établissement de concepts qui prévalent toujours. À cette période, le capteur roi était le gyroscope à effet Sagnac du fait des applications, tant civiles que militaires, en navigation inertielle (> 30 % des efforts mondiaux lui étaient consacrés) .

Vers 1985 apparut le concept de Réseau de Capteurs à Fibres Optiques (RCFO) , avec la nécessité de réduire les coûts par point de mesure mais aussi grâce à la disponibilité de circuits électroniques de plus en plus rapides. Les capteurs de température devinrent alors les plus étudiés (30 % de la R&D), du fait de nombreux effets physiques dans lesquels intervient cette grandeur et des besoins de l’industrie. Les premiers capteurs répartis de température fondés sur l’effet Raman apparurent sur le marché à cette époque (DTS2 puis DTS80 de York Sensors).

À la toute fin des années quatre-vingt, se fondant sur le phénomène de photosensibilité dans les fibres optiques mis en évidence dix ans plus tôt , le concept des transducteurs à réseaux de Bragg fut présenté lors des 8e et 9e éditions de l’OFS . Ce fut une révolution, tant et si bien que la décennie quatre-vingt dix symbolisa cette approche, lui consacrant jusqu’à 40 % des efforts mondiaux. Parallèlement, l’expansion des télécoms optiques supporta une croissance quasi-exponentielle entraînant dans son sillage le développement des composants à réseaux de Bragg, jusqu’en avril 2001 quand advint l’éclatement de la bulle Internet, et il fallut 6 à 7 ans pour que le domaine des fibres optiques retrouve les niveaux précédents. Cette période chahutée fut aussi l’occasion pour les CFO et RCFO de sortir des laboratoires dans le cadre de démonstrations de terrain, et l’un des concepts applicatifs les plus marquants vit le jour : la surveillance des structures , plus que jamais d’actualité actuellement. La transition à la décennie suivante fut marquée par les toutes premières publications concernant les mesures réparties par rétrodiffusion Brillouin .

Depuis, on a assisté à la maturation technologique des principes mis en œuvre autour des approches les plus consolidées, tant pour les capteurs que pour leurs systèmes de mesure (Bragg, DTS Raman, Brillouin, DAS …). De nombreux produits sont désormais disponibles dont les performances et fonctionnalités innovantes, souvent sans équivalent dans d’autres technologies, sont particulièrement attrayantes pour de nombreux secteurs industriels.

Finalement, du foisonnement initial débouchent quelques techniques de mesure par RCFO suffisamment matures ayant aussi conduit à l’émergence de PME (Angleterre, USA, Canada, France, Corée, et désormais Chine). Vers 2005, on a pu assister au basculement du centre de gravité des technologies de l’optique guidée au profit de l’Asie et surtout de la Chine, qui en 10 ans rattrapa plus de 3 décennies de R&D occidentale !

De nos jours, au-delà de la R&D toujours active, du fait des avantages inégalés par d’autres technologies de mesure, il est patent de constater que de nombreux secteurs économiques offrent des parts de marché aux RCFO.

Un glossaire et un tableau de sigles en fin d’article regroupent les principaux termes et sigles couramment utilisés dans cet article.

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-r460


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1. Rappels : fibres optiques et capteurs à fibres optiques CFO

1.1 Fibres optiques jouant le rôle de transducteur

En accord avec la terminologie définie par les instances internationales de normalisation (ISO/IEC) et reprise en France par l’AFNOR , un « capteur à fibre(s) optique(s) – 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 de plusieurs fibres optiques.

En toute rigueur, le capteur consiste uniquement en l’élément sensible (transducteur) placé, ou non, dans un conditionnement. Cela étant, par glissement sémantique, la communauté a pris l’habitude de dénommer CFO l’ensemble « capteur(s) + instrument de mesure », composé de plusieurs sous-ensembles :

  • celui de « transduction » (modifications de l’un des paramètres de la lumière, liées à la grandeur recherchée, voire à celles d’influence) ;

  • l’unité de mesure (mise en évidence de l’effet induit sur la lumière grâce au montage optique, puis conversion par photodétection en un signal électrique) ;

  • la partie destinée à l’analyse et au traitement du signal (numérisation et mise en forme des données).

Le transducteur consiste en un matériau ou un composant (souvent la fibre elle-même, constituant dès lors un transducteur « intrinsèque » ; sinon le qualificatif est « extrinsèque ») au sein duquel la lumière guidée subit des modifications induites par son environnement, qui permettent de renseigner sur le paramètre recherché.

Le multiplexage de plusieurs capteurs constitue un réseau de CFO donnant, en outre, accès à des mesures homogènes (ne nécessitant pas de fusion de données), inaccessibles aux autres technologies (e.g. la mesure spatialement « continue »...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KAO (K.C.), HOCKHAM (G.A.) -   Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies.  -  Proc. IEE, Vol. 113, No. 7, pp. 1151-1158, July 1966.

  • (2) - VALI (V.), SHORTHILL (R.W.) -   Fiber Optic Gyroscopes.  -  Proc. SPIE, 77, pp.1210-115 (1976).

  • (3) - VALI (V.), SHORTHILL (R.W.), GOLDSTEIN (R.), KROGSTAD (R.S.) -   Laser Gyroscope.  -  US Patent 4013365, Marc 22, 1977, filed June 11, 1975.

  • (4) - EZEKIEL (S.) -   Laser Gyroscope.  -  US patent 4135822, Jan. 23, 1979, filed May 6, 1976, French patent 230583, May 5, 1977.

  • (5) - ARDITTY (H.J.) -   L’effet Sagnac, le gyromètre à fibre optique.  -  SEE Journée d’étude : la navigation à inertie, 15 nov. 1978.

  • (6) - LEFREVRE (H.) -   Principe du gyrofibre, le gyromètre,...

1 Événements

Optical Fiber Sensor OFS : la conférence internationale OFS, devenue la référence du domaine des CFO et des RCFO, se déroule tous les 18 mois, cycliquement en Europe, en Amérique, puis en Asie. Le lecteur pourra consulter les actes des conférences passées depuis 1983 :

  • Collected Papers of the Intern. Conf. on OFS, 1983-1997. Published: 26 Jan. 1999 ; CD-Rom co-published by SPIE, OSA and LEOS

    https://spie.org/x648.html?product_id=316034

  • Collected Papers of the Intern. Conf. on OFS, 1998-2005, and the European Workshops on OFS, 1998 & 2004, Published: 6 July 2005; CD-ROM Includes Procs. Vols. 3483, 3746, 4185, 5502, 5855, and Vol. from OFS 15 & OFS 16, not originally published by SPIE

    https://spie.org/x648.html?product_id=629357

  • 17th Intern. Conf. on OFS, 23-27 May 2005, Bruges, Belgium, M. Voet, R. Willsch, W. Ecke, J. Jones, B. Culshaw Eds., Proc. of SPIE Vol. 5855, ISBN: 9780819458551

  • 18th Intern. Conf. on OFS, 23-27 Nov. 2006, Cancun, Mexico, A. Mendez Ed. ISBN 1-55752-817-19

  • 19th Intern. Conf. on OFS, 14-18 April 2008 Perth, Australia, D. Sampson, S. Collins, K. Oh, R. Yamauchi Eds. Proc. of SPIE Vol. 7004, ISBN: 9780819472045

  • 20th Intern. Conf. on OFS, Julian D.C. Jones Ed., 5-9 Oct. 2009, Edinburgh, Scotland. Proc. of SPIE Vol. 7503, ISBN: 9780819478146

  • 21st Intern. Conf. on OFS, J. Albert and W. Bock Eds., 18-20 May 2011, Ottawa, Canada. Proc. of SPIE Vol. 7753,...

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