Fibres optiques spéciales et faisceaux annulaires, de nouveaux outils
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Les fibres optiques monomodes servent actuellement à transmettre des données par la lumière sur des milliers de kilomètres. L’augmentation fulgurante des données transmises via Internet ces dernières années nous rapproche peu à peu de la limite physique des réseaux actuels. À terme, des fibres optiques spéciales devront donc être conçues pour accroître le débit des données et ainsi éviter des défaillances du réseau mondial de télécommunication. Des fibres optiques spéciales entrent aussi de plus en plus dans la conception de dispositifs en tout genre et utiles à plusieurs domaines de l’industrie et des technologies de la santé. Par ailleurs, il est maintenant possible de produire des faisceaux lumineux ayant un profil annulaire leur conférant des propriétés hors du commun, qui ouvrent la porte à de nouvelles interactions lumière-matière. Le professeur Bora Ung de l’École de technologie supérieure (ÉTS) de Montréal et le chercheur postdoctoral Yann Facchinello de l’ÉTS donneront une conférence sur les fibres spéciales, les faisceaux annulaires et leurs applications en télécommunication, l’usinage laser, les capteurs et les technologies de la santé, le 7 février 2018 à l’ÉTS de Montréal. L’article ci-dessous donne un aperçu des différents sujets de recherche actifs et de leurs champs d’application dans divers domaines.
Introduction – fibres optiques classiques et spéciales pour les télécommunications
Les fibres optiques ont été mises au point dans les années 70 par l’entreprise Corning. Un fil en verre très fin peut guider la lumière sur de très longues distances et ainsi servir à transmettre des données [1]. Cependant, ces fibres optiques standards opérant dans un régime monomode ne pourront plus répondre aux besoins sans cesse croissants des utilisateurs. Plusieurs spécialistes prédisent que le réseau de télécommunication mondial atteindra sa limite de transmission de données dans la prochaine décennie. Pour relever ce défi, des fibres optiques spéciales pouvant transporter plus de données que les fibres optiques monomodes classiques font l’objet de plusieurs études en recherche et développement dans de nombreux pays. Au Québec, des chercheurs de l’ÉTS et de l’Université Laval travaillent en collaboration dans ce domaine.
Cet article présente différents types de fibres optiques spéciales faisant l’objet de recherches à l’ÉTS, soit les fibres optiques multicoeurs, multimodes et les fibres permettant la transmission de faisceaux annulaires.
Bien que les fibres optiques monomodes ne fassent pas partie des fibres optiques spéciales, nous les décrivons ci-dessous afin de présenter la différence entre ce type de fibre optique classique et les fibres optiques spéciales.
Fibres optiques monomodes (classiques)
Les fibres optiques monomodes guident un faisceau lumineux dans le cœur en verre (illustré en rouge ci-dessous) possédant un indice de réfraction plus élevé que la gaine (verte), recouverte d’une enveloppe protectrice (grise) en polymère. Le cœur de la fibre a un diamètre d’environ 9 microns alors que le tout mesure moins de 500 microns de diamètre.
Figure 1 : fibre optique monomode
Le faisceau lumineux guidé dans le cœur de la fibre possède un profil d’intensité de forme gaussienne qui procure un couplage aisé de la lumière émise par des sources lasers.
Avantages et inconvénients des fibres optiques monomodes
Les fibres optiques monomodes peuvent transmettre des données sur des milliers de kilomètres à la vitesse de la lumière. Puisqu’un seul faisceau lumineux (i.e. un seul mode) est guidé, les probabilités de perturber le signal durant sa propagation sont faibles. Par conséquent la transmission des signaux dans ce type de fibre est relativement stable et le débit de données est limité par la capacité de transmission de la fibre monomode.
Fibres optiques multicoeurs
Figure 2 : fibre optique multicoeurs
Ce type de fibre se compose de plusieurs cœurs pouvant transmettre un ou plusieurs faisceaux lumineux entourés par une gaine et une enveloppe de protection.
Les fibres optiques multicoeurs fonctionnent sur le même principe qu’une fibre optique monomode. Il est possible d’y intégrer plus d’une dizaine de canaux de transmission indépendants au sein de cœurs adjacents. Le diamètre de ce type de fibre est toutefois un peu plus grand que celui des fibres optiques classiques. Cette géométrie multicoeurs permet de densifier les liens de télécommunications comparativement aux fibres monomodes classiques.
Fibres optiques multimodes
Une très grande densification spatiale des liens de communications est possible depuis l’arrivée des fibres optiques multimodes dans lequel chaque mode guidé représente un canal de transmission indépendant. Dans ce type de fibre, plusieurs faisceaux lumineux (i.e. modes) voyagent en parallèle au sein d’un même cœur. En théorie, le nombre de faisceaux annulaires pouvant être injectés dans une fibre multimode est illimité, ce qui très attrayant. Toutefois un des défis majeurs de cette géométrie concerne la probabilité significative d’échanges d’énergie entre les différents modes créant ainsi du brouillage et des pertes de signal, phénomène appelé « diaphonie ». Un autre défi provient des légères différences de vitesses de propagation des modes, phénomène dénommé « dispersion modale ». Ces deux facteurs limitent présentement les longueurs effectives de transmission multimodale avec ce nouveau type de fibre. Les chercheurs dans ce domaine sont très actifs à l’échelle globale afin de résoudre ces problèmes et éventuellement développer des solutions pratiques et viables qui auront un impact sur la fluidité de nos télécommunications du futur.
Figure 3 : fibre optique multimode
Fibres multimodes à faisceaux annulaires
Le marché des lasers à fibre suit de près la progression des systèmes laser industriels. La technologie des lasers à fibre est arrivée à maturation dans ces dernières années, offrant ainsi une solution économique et fiable pour intégrer des faisceaux laser de haute qualité et haute puissance au sein d’un éventail grandissant d’applications industrielles et médicales. Or la transmission de faisceaux annulaires dans une fibre optique n’est pas facile étant donné la forte diaphonie présente dans les fibres optiques. Il est donc nécessaire de concevoir des fibres optiques multimodes spécialement adaptées à la transmission des faisceaux annulaires. Dans le cadre de recherches à l’ÉTS, une nouvelle fibre spéciale pour faisceaux annulaires a été développée et sera prochainement testée pour des applications dans les lasers industriels, les télécommunications multimodales et l’imagerie biomédicale [2].
Le maximum d’intensité du faisceau gaussien se situe au centre, tandis que le faisceau annulaire a un maximum d’intensité à sa périphérie et une intensité pratiquement nulle au centre du « beigne » (tel que montré dans la vidéo ci-dessus).
Faisceaux lasers gaussiens et annulaires pour l’usinage, la découpe et le perçage de matériaux
La demande pour les systèmes d’usinage par laser continue de progresser annuellement. Les lasers, actuellement employés dans ces systèmes, possèdent un profil gaussien. Plusieurs procédés industriels bénéficient de ces systèmes laser : le perçage, la découpe, la soudure, le marquage, la fabrication additive et le traitement des surfaces. De récentes études démontrent que les faisceaux lasers à profil annulaire offrent des performances supérieures pour certaines tâches telles que le perçage de trous profonds dans des métaux. Par ailleurs, il est possible d’obtenir un meilleur contrôle de la focalisation du faisceau et de la distribution thermique générée avec un laser annulaire. Des recherches sont en cours pour exploiter les propriétés uniques des faisceaux annulaires dans le domaine des lasers industriels.
Faisceaux annulaires pour la microscopie à très haute résolution
En 2014, un prix Nobel a été attribué à E. Betzig, W.E. Moerner et S. Hell pour la conception d’un système de microscopie à très haute résolution appelée STED – (STimulated Emission Depletion microscopy) [3]. L’élément clé de cette innovation repose sur l’utilisation d’un faisceau annulaire. Le microscope STED permet ainsi de voir des structures biologiques de l’ordre de quelques nanomètres, soit une précision supérieure à la limite de diffraction de la lumière pourtant considérée jusqu’à récemment comme une frontière infranchissable.
Malgré la puissance indéniable de la microscopie STED, les systèmes commercialisés ont des coûts très prohibitifs de sorte que cette technologie est actuellement restreinte à des instituts spécialisés de recherche médicale et pharmaceutique. Des travaux de recherche se font à l’ÉTS dans le but de démocratiser la technologie STED via l’utilisation de fibres optiques spéciales.
Les fibres optiques en tant que capteurs
Les fibres optiques peuvent aussi servir de capteurs dans une multitude de domaines manufacturiers et biomédicaux : mesurer la température, l’humidité, des contraintes mécaniques et des paramètres biomédicaux. Notons aussi que les fibres optiques possèdent certains avantages comparativement aux capteurs électroniques :
- Pas d’émissions de champs électromagnétiques et immunisées face à ces derniers
- Minces et compactes
- Faibles demandes en puissance
- Haute bande passante
- Biocompatibles et faibles coûts
Capteurs distribués
Un capteur distribué consiste en une fibre optique pouvant mesurer des perturbations physiques sur toute sa longueur (allant de quelques mètres à plusieurs kilomètres). Avec quelques milliwatts de puissance optique injectée dans le cœur, la fibre peut ainsi mesurer les contraintes qui lui sont appliquées ainsi que leurs emplacements précis. Il faudrait une grande quantité de capteurs électroniques pour remplacer un tel capteur optique distribué.
Des recherches sont en cours à l’ÉTS pour développer des capteurs à fibre distribués qui exploitent la diversité modale disponible avec les fibres multimodes.
Capteurs biomédicaux à fibre optique
Une équipe pluridisciplinaire de l’ÉTS composée des professeurs Bora Ung (génie électrique) et Éric Wagnac (génie mécanique), et du chercheur postdoctoral Yann Facchinello, en collaboration avec des intervenants du milieu hospitalier dont le Dr Jean-Marc Mac-Thiong, chirurgien orthopédiste à l’hôpital Sacré-Cœur de Montréal, mènent des recherches dans le développement de capteurs à fibre optique, et plus généralement des capteurs optoélectroniques, pour des applications biomédicales.
Image 1 : des fibres optiques insérées dans une moelle épinière artificielle
Cette équipe a conçu un capteur de déformations composé d’une mince fibre optique pour une moelle épinière artificielle (image ci-dessous) [4]. Cette recherche vise à mieux comprendre les mécanismes complexes qui surviennent lors de fractures vertébrales et leurs impacts sur le système nerveux.
