Capteurs à fibres optiques

*Version actualisée de l’article de 2023

Définition

Les capteurs à fibre optique servent à mesurer des grandeurs physiques telles que la température, la pression ou les déformations à l’aide de signaux lumineux dans des fibres de verre ou de plastique. Ils fonctionnent avec une grande précision et sont très résistants aux produits chimiques. De plus, ils sont peu sensibles aux perturbations électromagnétiques. En raison de ces propriétés et de leur petit diamètre, de l’ordre d’un cheveu humain, ils peuvent être placés dans des espaces exigus, des environnements difficiles ou là où d’autres capteurs ne peuvent pas être utilisés. Les fibres à cœur creux, qui transmettent la lumière dans un noyau rempli d’air, constituent une innovation révolutionnaire. Cette technologie réduit les pertes et les non-linéarités optiques, ce qui permet des circuits de transmission plus longs et des temps de réaction plus courts. Les fibres à cœur creux ouvrent de nouvelles applications dans les domaines des télécommunications, des technologies médicales et de la surveillance industrielle. 

Applications actuelles et perspectives

Les capteurs à fibres optiques sont déjà utilisés dans les installations à haute tension en raison de leur capacité de mesure extrêmement précise sur de grandes distances et de leur insensibilité aux perturbations électromagnétiques. En médecine, on utilise de minuscules capteurs à fibres optiques biocompatibles afin de réaliser des mesures de précision dans le corps, pour la pression artérielle dans les vaisseaux coronaires ou la température des tissus lors d’un traitement tumoral par IRM, par exemple. 

Une fibre peut en outre desservir jusqu’à 100 capteurs en même temps grâce au multiplexage, qui consiste à envoyer plusieurs signaux ou flux d’informations en un seul signal complexe via une liaison de communication, ce qui est idéal pour l’aérospatiale ou la surveillance des ouvrages. Par ailleurs, les fibres peuvent fournir des données de mesure en continu sur toute leur longueur, comme pour la surveillance des fuites et de la température dans les pipelines et les réseaux électriques. 

La fibre optique en verre atteint aujourd’hui ses limites physiques : la perte de lumière dans le verre de quartz ne peut guère être réduite davantage et les non-linéarités optiques entraînent des chevauchements et donc des encombrements de signaux. L’introduction de fibres antirésonnantes à cœur creux permet de surmonter cet obstacle. La lumière y est dirigée à travers un cœur d’air presque sans aucune perte, ce qui offre des performances supérieures à la fibre de verre classique et minimise les non-linéarités gênantes. La fibre à cœur creux permet ainsi des liaisons de données encore plus rapides et puissantes que les capteurs à fibres optiques – ce qui est idéal pour les centres de données, les applications du big data et l’intelligence artificielle. De plus, elle peut être remplie de gaz ou de liquides et adaptée spécifiquement pour les capteurs ou pour la transmission de performances laser dans l’industrie et la médecine.  

Jusqu’à présent, la recherche sur les fibres optiques a été menée par des entreprises de télécommunications et non par des programmes nationaux. Mais puisque c’est généralement dans les start-ups que les innovations voient le jour, il pourrait être intéressant d’apporter une aide économique ciblée au secteur des capteurs à fibres optiques. 

Ce sont principalement des groupes de recherche issus d’universités et d’instituts qui ont permis les innovations dans le domaine des fibres à cœur creux. Quelques entreprises commencent certes à intégrer ces fibres dans leur portefeuille, mais les performances en matière de pertes de transmission restent inférieures à celles de la fibre optique traditionnelle en verre. 

Défis

Les appareils de mesure et de lecture pour les capteurs à fibre optique sont chers. Cela limite notamment l’utilisation dans le secteur de la construction, car de nombreux points de mesure y sont nécessaires, notamment pour la surveillance des ouvrages. Les circuits intégrés photoniques (voir PIC) tels qu’ils sont développés par la société Ligentec à Lausanne offrent une approche prometteuse pour des systèmes plus compacts permettant de réduire les coûts. 

La production de fibre à cœur creux constitue un autre défi. La microstructure complexe, composée de capillaires à paroi mince superposés avec une grande précision, est complexe et coûteuse à produire. Les fibres particulièrement longues ne sont donc disponibles que de manière limitée. De plus, les faibles pertes promises par la fibre à cœur creux ne sont possibles que dans certaines conditions. Dans des conditions standard, elle n’est pas encore compétitive par rapport à la fibre optique traditionnelle en verre. Et puisqu’elle présente une stabilité mécanique inférieure, elle nécessite des mesures supplémentaires afin de protéger la fibre. Le raccordement à d’autres composants optiques constitue un autre défi technique, d’autant plus qu’il n’existe pas encore de normes uniformes. 

Accent sur l’industrie et perspectives internationales

La technologie est adaptée à l’industrie suisse, forte d’une longue tradition dans la fabrication de précision. Différentes entreprises produisent des systèmes de capteurs à fibres optiques ou autres composants, dont Diamond SA (Losone TI), Baumer Group (Frauenfeld), Solifos AG (Windisch) et Volpi AG (Schlieren). Ces entreprises sont encore leaders sur les marchés de niche, mais la concurrence européenne et chinoise rattrape rapidement son retard. 

En Suisse, la production de fibre optique a été arrêtée au cours des dix dernières années. Il est donc peu probable qu’une production nationale puisse redevenir compétitive. La Suisse est nettement mieux positionnée pour le développement des accessoires spécifiques (fiche, câble, coupleur, etc.). 

Les entreprises qui utiliseront la fibre à cœur creux pourront bénéficier de débits de données plus élevés, un avantage décisif pour les applications basées sur le big data et l’intelligence artificielle. Ces fibres sont spécifiquement conçues pour répondre aux exigences croissantes des charges de travail liées à l’IA. Le développement de connecteurs spécialisés constitue une niche potentielle. L’entreprise suisse Diamond SA (Losone TI) est leader dans ce domaine. 

Applications futures

Les applications futures des capteurs à fibres optiques sont multiples. Dans les infrastructures, ils permettent la détection précoce des fissures, des contraintes, des déformations ou des tassements au niveau des ponts, des tunnels, des routes, des voies ferrées et des bâtiments. En médecine personnalisée, ils sont utilisés comme capteurs in vivo, notamment pour le suivi de paramètres médicaux durant les interventions chirurgicales ou dans le cadre de diagnostics à long terme. Les capacités des capteurs à fibres optiques en matière de surveillance en temps réel des défauts et surcharges dans les réseaux électriques et les pipelines d’hydrogène profitent également aux systèmes énergétiques intelligents.  

Sans oublier qu’ils contribuent à la protection de l’environnement et du climat en enregistrant les émissions de méthane, de CO₂ ou de polluants, même dans les zones difficiles d’accès. Dans l’aérospatiale, ils permettent une surveillance continue de l’état des fuselages, des moteurs et des structures dans l’espace. Dans l’industrie automatisée, ils offrent un moyen de contrôler précisément des processus en temps réel, notamment dans la production chimique, pharmaceutique ou alimentaire. Enfin, ils jouent également un rôle dans les applications de la technologie quantique, pour les horloges atomiques ou les ordinateurs quantiques par exemple, où la plus grande précision est requise.