Résumé :
Les scientifiques étudient depuis plus de 2 000 ans que la Terre est ronde, mais les partisans de la « théorie de la Terre plate » y croient toujours fermement. Certaines personnes sont même prêtes à « aller au bout du monde » pour trouver des preuves, mais elles n'ont pas encore trouvé la soi-disant fin. Laissant de côté la forme de la Terre, des chercheurs de l'Institut royal de technologie de Suède et de l'Université de Southampton au Royaume-Uni ont récemment développé une technologie qui prouve que dans le domaine de la détection par fibre optique, les structures plates peuvent être bien meilleures que les structures circulaires.
L'équipe de recherche a développé une fibre optique en silice en forme de ruban plat. Ce type de fibre optique peut être structurellement conçu pour produire une réponse beaucoup plus forte aux effets physiques que les fibres optiques cylindriques traditionnelles, de sorte qu'elle puisse devenir un capteur offrant de meilleures performances. Les chercheurs l'ont baptisée « High Aspect Ratio Flat Fiber » (HARFF). Lors d'un test comparatif, la sensibilité à la pression de cette fibre optique était jusqu'à 1 000 fois supérieure à celle des fibres optiques traditionnelles ; une autre version remplie de métal interne a montré des capacités de détection de température plus fortes. L'équipe de recherche a utilisé une seule préforme expérimentale pour étirer cette fibre optique spéciale d'une longueur de plus de 120 mètres, prouvant ainsi sa faisabilité de fabrication.
L'utilisation la plus connue de la fibre optique est celle d'un filament de verre qui transmet des données et transporte des informations dans le monde entier par le biais d'impulsions lumineuses. Cependant, les fibres optiques sont également des capteurs très performants. Les effets externes tels que l'étirement, la pression ou la température peuvent légèrement modifier les propriétés physiques et optiques du verre. Ces effets externes peuvent être mesurés en suivant les changements de lumière lorsqu’elle traverse la fibre.
Une analogie approximative mais intuitive est celle d'un tuyau d'arrosage. Lorsque les gens pressent une certaine section du tuyau, le débit d’eau change. En mesurant le changement du débit d’eau, les ingénieurs peuvent déterminer la pression appliquée. La détection par fibre optique utilise un principe similaire, mais est beaucoup plus sensible. Les chercheurs envoient de la lumière dans les fibres optiques, mesurent l’évolution des signaux lumineux et utilisent ces changements pour déduire ce que la fibre optique a vécu.
Une approche courante consiste à utiliser des réseaux de Bragg en fibre. Ces réseaux sont de minuscules structures périodiques écrites à l’intérieur de fibres optiques qui reflètent des longueurs d’onde spécifiques de la lumière. Lorsqu'une fibre optique est étirée ou comprimée, la longueur d'onde de la lumière réfléchie change, fournissant ainsi aux ingénieurs une « règle optique » pour mesurer la contrainte.
Les fibres optiques en silice conventionnelles sont généralement cylindriques, une géométrie idéale pour mesurer les forces agissant le long de l'axe de la fibre. Cependant, les cylindres en verre solide réagissent faiblement aux forces latérales et à la pression hydrostatique provenant de toutes les directions qui les entourent, ce qui entraîne des limitations significatives de leur sensibilité, qui est l'une des propriétés les plus recherchées de la technologie de détection.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont modifié la forme du verre. Plutôt que de fabriquer d'abord une fibre ronde puis d'essayer de l'aplatir, ils ont conçu HARFF sous la forme d'une structure plate au stade de la préforme, ce qui a permis d'obtenir une structure solide avec un rapport d'aspect proche de 20:1. Cette géométrie plate en forme de ruban révolutionne la façon dont les fibres optiques réagissent aux forces externes. En termes simples, la force requise pour plier une tige ronde n’est pas la même que pour plier une règle fine. La structure plate permettra à la fibre optique de répondre plus facilement aux forces de flexion comme une règle.
Avec HARFF, les ingénieurs peuvent ajuster individuellement la largeur, l'épaisseur, l'épaisseur de la paroi et les canaux internes de la fibre pour concevoir spécifiquement l'endroit où le verre se plie et où les contraintes se concentrent.
Dans le capteur de pression, l'équipe de recherche a conçu deux canaux d'air s'étendant longitudinalement à l'intérieur de la fibre optique. Cette structure asymétrique intentionnellement conçue se déforme lorsqu'une pression externe est appliquée, provoquant divers degrés de contrainte dans différentes directions autour du guide d'ondes optique. En conséquence, une propriété de la fibre appelée « biréfringence » change également. La biréfringence signifie que la lumière se propageant dans deux directions de polarisation perpendiculaires l’une à l’autre connaîtra des indices de réfraction légèrement différents dans le même morceau de verre.
Les chercheurs ont ensuite inscrit deux réseaux de Bragg à fibres identiques dans le guide d'ondes optique, formant ainsi une minuscule cavité optique entre eux. Lorsque la lumière se propage dans cette cavité optique, elle produit un motif d’interférence caractéristique. Lorsque la pression déforme le verre, sa biréfringence change et le motif d'interférence se déplace de manière mesurable.
En termes simples, la pression déforme la fibre du ruban, ce qui modifie les propriétés optiques du verre, et le signal lumineux modifié indique aux chercheurs la pression appliquée.
Les chercheurs ont placé ce capteur de validation de principe dans un récipient sous pression pour le tester, la pression de test pouvant atteindre 0,40 MPa. Les résultats de mesure montrent que sa réponse crête à creux atteint 7,24 dB/MPa ; lorsqu'elle est calculée à l'aide d'une autre méthode d'analyse, la sensibilité à la pression atteint un maximum de 31,6 rad/MPa. Dans le même temps, la sensibilité croisée à la température est inférieure à 1 % de la sensibilité à la pression, ce qui aide les chercheurs à distinguer les changements de pression des changements de température.
L'équipe de recherche a déclaré que par rapport aux fibres optiques comparables utilisant des noyaux elliptiques et des sections circulaires, la sensibilité de HARFF a été améliorée jusqu'à trois ordres de grandeur, soit environ 1 000 fois. Ils affirment également que les performances de HARFF s'améliorent jusqu'à deux ordres de grandeur par rapport à d'autres conceptions de fibres de silice optimisées pour la détection de pression hydrostatique.
En plus de la détection de pression, les chercheurs ont également démontré que la même plate-forme de base en verre peut également être conçue comme capteur de température. Dans le capteur de température, ils ont rempli un canal interne du HARFF avec un alliage à base d'étain. Le coefficient de dilatation thermique du dioxyde de silicium est d'environ 0,5×10⁻⁶/K, tandis que le coefficient de dilatation thermique de cet alliage est d'environ 23×10⁻⁶/K. Lorsque les deux sont chauffés, le métal tente de se dilater bien au-delà de ce que le verre environnant le permet. Cette différence de dilatation crée une contrainte dans la silice, modifiant sa biréfringence et formant à nouveau un signal optique pouvant être mesuré.
Les chercheurs pensent avoir non seulement créé un capteur plus puissant, mais également transformé la géométrie et la structure interne de la fibre en de nouvelles variables de conception technique.
Pavel Maniewski, chercheur au Royal Institute of Technology, a déclaré qu'il ne s'agit pas seulement d'une fibre optique avec une apparence différente, mais qu'elle ouvre un nouvel espace de conception pour les fibres optiques. En modifiant la géométrie, le verre lui-même peut être amené à répondre de manière plus significative à son environnement physique.
En modifiant la largeur et l'épaisseur des fibres, les canaux d'air, l'emplacement des guides d'ondes optiques ou les matériaux remplissant ces canaux, la même plate-forme de fabrication de base devrait être optimisée pour différents types de besoins de détection à l'avenir. Par exemple, l’intégration d’une telle fibre optique dans une aile composite permettrait de surveiller les charges et les déformations sans avoir à déployer un réseau d’un grand nombre de capteurs électroniques traditionnels.
Des fibres optiques similaires peuvent également être utilisées dans des domaines tels que les drones, les ponts, les structures industrielles et les batteries. Dans ces scénarios, les changements de température ou de pression interne peuvent servir de signes avant-coureurs d’une défaillance de l’équipement. De plus, la fibre optique présente également l’avantage d’être légère, de petite taille et de ne pas être affectée par les interférences électromagnétiques.
Bien sûr, il reste encore un long chemin à parcourir entre une impressionnante fibre optique de laboratoire et une application pratique qui permettrait aux avions d'avoir quelque chose comme un « système nerveux de verre ». Le HARFF actuel est encore au stade de la validation de principe. Les chercheurs ont mesuré une perte de propagation de la lumière d'environ 0,16 dB/mètre, ce qui, selon eux, est principalement dû à la géométrie du noyau expérimental et au matériau de silice utilisé, plutôt qu'aux limitations inhérentes à la fibre plate elle-même.
De plus, la perte générée lorsque HARFF est épissé avec une fibre optique traditionnelle est généralement inférieure à 3 décibels, ce qui signifie qu'il reste encore beaucoup de place pour l'optimisation de cette technologie.
La prochaine étape de l'équipe de recherche prévoit d'améliorer encore les capacités de contrôle de la forme des fibres, de réduire la perte optique et de faire passer HARFF d'un capteur de validation de principe à un système réel. Le Royal Institute of Technology a souligné que les drones intelligents, les matériaux composites avancés et les technologies énergétiques plus sûres sont autant de domaines d'application futurs possibles de cette technologie.
Il convient de noter que cette recherche se concentre sur la détection par fibre optique et non sur la transmission de données de télécommunication. Dans le domaine des télécommunications, la fibre optique circulaire traditionnelle reste la norme dominante.
Cette recherche a été publiée dans la revue Nature Communications.
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