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Ces dernières années, les fibres optiques ont servi de capteurs pour détecter des changements, comme la température, un thermomètre, ou comme des nerfs artificiels. Cette technique est particulièrement utile dans des structures telles que les ponts et les gazoducs.

Les chercheurs de l’EPFL ont maintenant mis au point une nouvelle méthode qui permet aux fibres optiques d’identifier le type de matière – solide ou liquide –  en contact avec elles. Ceci est réalisé en générant une onde sonore à l’aide d’un faisceau lumineux dans la fibre. Cette étude a été réalisée par le Groupe Fibre Optique (GFO), dirigé par Luc Thévenaz au sein de l’école d’ingénieurs et a été publiée dans Nature Communications.

Un capteur qui ne perturbe pas la lumière

Pas plus large qu’une mèche de cheveux, une fibre optique en verre transmet une lumière qui varie selon quatre paramètres: l’intensité, la phase, la polarisation et la longueur d’onde. Ces paramètres sont modifiés lorsque la fibre est étirée ou que la température change; ce qui permet à la fibre de se comporter comme un capteur en identifiant des fissures dans les structures ou des températures anormales. Mais jusqu’à présent, il n’était pas possible de déterminer ce qui se passait autour de la fibre sans que la lumière ne s’échappe de la fibre, ce qui perturbe le trajet de la lumière.

La méthode développée à l’EPFL utilise une onde sonore générée à l’intérieur de la fibre. C’est une onde hyperfréquence qui rebondit sur les parois de la fibre. Cet écho varie à différents endroits en fonction du matériau avec lequel l’onde entre en contact. Les échos laissent une empreinte sur la lumière qui peut être lue lorsque le faisceau sort de la fibre, ce qui permet de cartographier l’environnement de la fibre. Cette empreinte est si faible qu’elle ne perturbe pas la lumière qui se propage dans la fibre. Cette méthode pourrait être utilisée pour détecter ce qui se passe autour d’une fibre et envoyer des informations basées sur la lumière en même temps.

Les chercheurs ont déjà immergé leurs fibres dans de l’eau puis dans de l’alcool, avant de les laisser à l’air libre. Chaque fois leur système était capable d’identifier correctement, les changements dans les environnements de la fibre. «Notre technique permettra de détecter les fuites d’eau, ainsi que la densité et la salinité des fluides qui entreront en contact avec la fibre, et il existe de nombreuses applications potentiellement intéressantes», explique Thévenaz.

Détection spatiale et temporelle

Ces changements dans les environnements sont localisés grâce à une simple méthode basée sur le temps. «Chaque impulsion des vagues est générées avec un léger décalage temporel, et ce retard se répercute à l’arrivée du faisceau de lumière, s’il y a des perturbations en cours de route, nous pouvons à la fois voir ce qu’elles étaient et déterminer leur localisation», explique Thévenaz.

« Pour l’instant, nous pouvons localiser des perturbations à une dizaine de mètres près, mais nous disposons des moyens techniques pour augmenter notre précision à un mètre. » L’idée d’utiliser une onde sonore dans les fibres optiques provenait initialement des chercheurs partenaires de l’équipe de l’Université Bar-Ilan en Israël. Des projets de recherche conjoints devraient suivre dans les mois à venir.

Source : École Polytechnique Fédérale de Lausanne

Référence : Desmond M. Chow, Zhisheng Yang, Marcelo A. Soto, Luc Thévenaz. Distributed forward Brillouin sensor based on local light phase recovery. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-05410-2