Le milieu de transmission est partagé, mais pas entièrement. Dans les capteurs à fibre optique, l'information relative au paramètre à mesurer est déterminée par une variation de phase, de polarisation, de fréquence ou d'intensité du signal optique (ou toute combinaison de ces paramètres). Les capteurs qui détectent les variations d'intensité du signal sont très simples. En revanche, ceux qui exploitent la modulation de phase, de polarisation ou de fréquence sont plus complexes, car le signal doit être prétraité, le photorécepteur ne détectant que la puissance optique. Dans ces cas, on utilise des structures interférométriques de type Mach-Zehnder, Michelson, Fabry-Perot ou Sagnac, qui offrent une sensibilité élevée. Plus récemment, les réseaux de Bragg sont également utilisés comme capteurs pour les mesures spectrales ou la discrimination de longueur d'onde.
Les capteurs à fibre optique se divisent en deux grandes catégories : les capteurs extrinsèques, où la fibre optique sert uniquement à guider la lumière de l’émetteur à l’élément sensible, puis de ce dernier au photodétecteur ; et les capteurs intrinsèques, où la fibre elle-même fait office à la fois d’élément sensible et d’élément de référence. Les configurations proposées à ce jour sont innombrables. Nous en examinerons ci-dessous quelques-unes parmi les plus représentatives.
Parmi les structures interférométriques, l'interféromètre de Mach-Zehnder est le plus courant. Son application en tant que capteur est illustrée sur la figure 1. Une source optique cohérente génère un signal qui est divisé en deux voies par un coupleur directionnel de 3 dB. L'une des voies sert de référence, tandis que l'autre contient un transducteur qui convertit un paramètre physique spécifique en un déphasage du signal optique. Les deux signaux sont ensuite recombinés dans un coupleur de sortie, ce qui donne deux signaux (somme et différence) reçus par des photodétecteurs distincts. De cette manière, les déphasages du signal optique dans l'une des branches de l'interféromètre peuvent être mesurés à partir des puissances optiques captées par les deux détecteurs. Les équations sont données par :
où L1 et L2 représentent les longueurs des bras de l'interféromètre, k la constante de propagation et Δf le déphasage induit dans le transducteur.
Par ailleurs, les capteurs d'intensité offrent également de nombreuses possibilités de mise en œuvre. Parmi les techniques les plus connues, on peut citer : l'interruption de la lumière par déplacement d'une feuille (figure 2), le déplacement relatif de deux fibres, la modulation des pertes dans le cœur ou la gaine par courbure, ou encore le couplage de modes évanescents avec une autre fibre. À titre d'exemple, la figure 2 illustre le principe de la technique utilisant une feuille qui bloque le couplage optique entre deux fibres. Un mécanisme sensible à un paramètre physique spécifique (par exemple, la pression ou les vibrations) déplace la feuille plus ou moins fortement, modulant ainsi l'intensité optique détectée à la sortie du système.
Produits et applications
Comme mentionné précédemment, les capteurs à fibre optique trouvent des applications dans de nombreux domaines. Vous trouverez ci-dessous quelques exemples, ainsi que les entreprises qui les commercialisent.
La hausse des prix de l'énergie et la nécessité de reconstituer les réserves incitent les compagnies pétrolières à investir dans les gisements de pétrole lourd. Les pétroles lourds et visqueux présentent des difficultés d'analyse des fluides et des obstacles à leur récupération, qui sont surmontés grâce à de nouvelles technologies et à des modifications des méthodes développées pour les pétroles conventionnels. Le drainage gravitaire assisté par la vapeur (SAGD) est une méthode utilisée pour les pétroles extra-lourds. Deux puits horizontaux parallèles sont forés, l'un étant positionné 5 à 7 mètres au-dessus de l'autre. La vapeur injectée dans le puits supérieur chauffe le pétrole lourd, réduisant ainsi sa viscosité. La gravité provoque l'écoulement du pétrole mobilisé vers le puits inférieur horizontal. La communication initiale entre l'injecteur et le puits producteur est établie par injection de vapeur, injection cyclique de vapeur ou injection de solvant. Le facteur de récupération estimé pour cette méthode se situe entre 50 et 70 %. Cependant, la stratification de la formation peut avoir un impact significatif sur la récupération par SAGD. La méthode SAGD est utilisée dans de nombreux gisements au Canada, notamment les gisements de Christina Lake et de MacKay River. La figure 3 présente un schéma de la méthode SAGD pour l'extraction du pétrole lourd. Le contrôle de la pression et de la température est crucial dans ce processus et nécessite des capteurs de mesure. La société canadienne Opsens Inc., chef de file dans la fabrication de capteurs à fibre optique, a développé des produits pour cette application spécifique. Par exemple, le capteur de pression et de température OPP-W, basé sur un interféromètre de Fabry-Perot, présente des spécifications détaillées dans le tableau I. Associé au câble à fibre optique WFC (câble rigide à 8 fibres pour environnements difficiles) et à l'équipement de mesure WellSens (interférométrie de polarisation en lumière blanche), il permet une surveillance efficace des procédés d'extraction de pétrole lourd (figure 3), ainsi que de toute autre application similaire. Les capteurs de pression sont également utilisés dans le domaine médical. Citons par exemple les capteurs à fibre optique de FISO Technologies Inc. (figure 4). Leurs applications vont de la mesure de la pression des fluides dans le corps humain lors d'interventions hospitalières critiques aux tests sur les animaux dans des environnements à fortes interférences électromagnétiques. Les modèles FOP-MIV et FOP-M260 sont fabriqués à l'aide de technologies de microfabrication sur silicium, ce qui les rend plus petits, plus précis, plus fiables et plus faciles à utiliser que les cathéters traditionnels. De plus, le capteur FOP-F125, d'un diamètre de seulement 125 microns, est le plus petit capteur disponible sur le marché pour ces applications. Il est positionné directement à l'extrémité de la fibre, sans aucun adhésif, ce qui permet son intégration dans des dispositifs médicaux et chirurgicaux mini-invasifs.
Enfin, la société suisse SMARTEC est un autre exemple de fabricant de capteurs à fibre optique. Elle propose une gamme de capteurs à réseaux de Bragg sur fibre (FBG) pour de multiples applications. Parmi ceux-ci figurent des accéléromètres avec des plages de mesure jusqu'à 15 g et des jauges de contrainte pour la surveillance structurelle (Figure 5). Les jauges de contrainte sont constituées de transducteurs qui transforment les variations de distance, statiques ou dynamiques, en variations de la longueur d'onde réfléchie par un FBG sous tension. Le capteur est composé d'une partie active et d'une partie passive. L'élément actif contient le câble à fibre optique qui mesure la contrainte entre ses deux extrémités, ce qui entraîne un décalage de la longueur d'onde du FBG en fonction de la variation de distance. L'élément passif, insensible à la contrainte, sert à connecter le capteur à l'unité de lecture. En option, un FBG supplémentaire peut être installé pour la mesure de température et sa compensation.
De nombreuses autres entreprises proposent également des capteurs à fibre optique dans leurs catalogues. Leurs applications sont innombrables, mais comme nous l'avons vu, ce sont leurs avantages par rapport aux capteurs traditionnels qui facilitent leur intégration croissante dans divers secteurs de l'ingénierie, de la médecine et de la société en général.
Francisco Ramos Pascual. Docteur en ingénierie des télécommunications.
Professeur titulaire à l'Université polytechnique de Valence.
