par Georg WeigeltGeorg Weigelt, Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
La vision de voitures qui conduisent ou d’avions qui volent eux-mêmes ne peut devenir réalité que si l’électronique embarquée peut déterminer où ils se trouvent dans l’espace, à tout moment et avec une précision fiable. Dans le secteur aérospatial, ce métier est dévolu aux gyroscopes qui mesurent la lumière pour contrôler et stabiliser la trajectoire d’un navire en vol. Mais de tels gyroscopes peuvent être affectés par certaines propriétés des matériaux ou par des champs électriques ou magnétiques, et les conséquences peuvent être désastreuses. C’est pourquoi un consortium germano-polonais s’est réuni pour développer un moyen fiable de transmettre la lumière afin de rendre les gyroscopes moins sensibles aux interférences. Leur secret : des fibres creuses capables de canaliser la lumière avec un minimum de perte.
Les fibres optiques forment l’épine dorsale des télécommunications modernes : de minuscules tubes, plus fins qu’un cheveu humain, qui contiennent un noyau de verre qui est encore dix fois plus fin. Dans ce noyau, la lumière peut se déplacer sans pratiquement rien pour la perturber. Comme l’indice de réfraction du matériau se rétrécit au fur et à mesure que l’on se rapproche de la couche externe, la lumière ne s’infiltre pas à travers les parois minces, mais rebondit à la place, zigzaguant à travers le noyau interne. Les scientifiques parlent de réflexion interne totale une fois celle-ci réalisée.
La technologie de mesure utilise également les capacités des fibres optiques. Ils sont une partie élémentaire des gyroscopes, c’est-à-dire des capteurs de rotation très précis. Si un seul axe de mouvement est pertinent, des capteurs d’accélération suffiraient, mais lorsque le mouvement d’un objet autonome dans les trois dimensions de l’espace doit être suivi, le système de mesure doit être plus compliqué et inclure trois accéléromètres et gyroscopes.
Gyroscopes optiques à la limite
On peut imaginer un gyroscope optique mesurant la rotation comme un tour du monde : Selon le sens du déplacement, on perd ou on gagne du temps. Un gyroscope à fibre comprend une fibre qui est enroulée autour d’une bobine et forme un résonateur en anneau. Dans ce résonateur, la lumière peut voyager avec ou contre l’horloge.
Lorsque l’objet tourne, le chemin parcouru par l’onde lumineuse change imperceptiblement, soit en rétrécissant, soit en s’agrandissant d’une infime marge. C’est ce changement infime qu’un détecteur peut capter et utiliser pour calculer la rotation.
Mais c’est là que les fibres optiques se heurtent aux limites de leurs capacités. Les champs magnétiques et électriques peuvent interférer avec le travail d’interprétation du capteur, et le matériau lui-même peut interagir avec la lumière et provoquer une modification de ses propriétés optiques. Ces effets dits non linéaires ont un impact direct sur la façon dont la lumière se propage. L’interférence est si minime qu’elle ne pose aucun problème pour les télécommunications, mais elle peut s’avérer critique pour la navigation d’objets autonomes, car l’infime déviation de la direction attendue signifiera bientôt une déviation mesurable de la route choisie.
Dans leur travail pour éviter ces effets, les chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour la fiabilité et la microintégration IZM ont étudié des technologies et des matériaux de pointe, et ils ont découvert un nouveau candidat prometteur sur le marché : les fibres à noyau creux.
Celles-ci sont tout aussi fines que les fibres optiques classiques, mais elles contiennent de l’air au lieu d’un noyau en verre. La lumière peut traverser cet espace creux sans aucune perturbation, ce qui réduit nettement les effets de matière susceptibles de modifier son comportement. La lumière se déplace également à travers le matériau à une vitesse 1,5 fois supérieure à celle des fibres standard, ce qui fait des fibres à âme creuse une option intéressante également pour les applications de transmission de données. Actuellement, leur prix élevé fait toujours obstacle à leur adoption plus généralisée.
Une technologie d’interconnexion intelligente à la rescousse
Pour les chercheurs autour des experts en photonique Wojciech Lewoczko-Adamczyk et Stefan Lenzky, le défi était de saisir les propriétés de résistance aux perturbations de ces fibres pour la construction de gyroscopes de haute précision tout en maintenant les coûts de production bas. Ils devaient trouver une technologie d’interconnexion qui pourrait fonctionner avec le nouveau type de fibre. Un défi majeur était le moyen de diviser le signal lumineux pour plusieurs canaux. En règle générale, les guides d’ondes individuels seraient couplés en les fusionnant simplement, mais cela était impossible pour les fibres à noyau creux, car leur structure unique serait perdue lorsqu’elle serait exposée à la chaleur.
Pour contrer cet effet, les chercheurs ont construit des collimateurs miniatures : des lentilles très précises qui captent la lumière d’une fibre et l’émettent avant que toute diffraction ne puisse se produire. Une fois cette étape cruciale franchie, la lumière peut être divisée par des miroirs semi-réfléchissants et introduite dans le résonateur annulaire. Après un tour autour de l’anneau, il est mesuré et réinjecté dans la fibre via un second collimateur.
Plate-forme d’assemblage pour PME
Lors du couplage de la lumière avec deux collimateurs, une précision extrême est essentielle : dans les environnements de laboratoire, les composants peuvent être placés et alignés avec des outils de positionnement précis, mais ceux-ci sont peu susceptibles d’être disponibles sur les sites de production industrielle. Cela signifie que les petites et moyennes entreprises n’ont pas, à ce jour, été en mesure d’offrir ce procédé. C’est pourquoi le consortium germano-polonais développe une plate-forme de couplage passif qui permet d’intégrer la technologie dans des applications individuelles. Sa disposition permet le montage précis des collimateurs finis, supprimant le besoin d’un alignement supplémentaire.
Même si le projet est toujours prévu jusqu’à la fin de l’année, les chercheurs ont déjà fait des progrès substantiels : des collimateurs sont encore nécessaires pour courber les faisceaux, les composants optiques produits par Fraunhofer IZM surpassent déjà les solutions actuelles sur le marché avec une précision décuplée, à un angle de réfraction maximal de 0,04 degrés. Cela signifie que des paires de collimateurs peuvent être utilisées pour la plate-forme de couplage passif sans nécessiter d’alignement supplémentaire, tout en atteignant une efficacité de couplage de plus de 85 %. La mission pour la troisième et dernière année du projet est de tester la fiabilité de la plate-forme, d’ajouter plus de composants optiques et mécaniques et de tout intégrer dans un gyroscope. Une fois le capteur de rotation construit, tout est prêt pour tester la technologie sur le terrain dans des conditions réelles.
La plate-forme d’assemblage de collimateurs peut rendre les gyroscopes optiques pour avions et satellites plus résistants aux perturbations, mais elle peut également être un ajout hybride aux systèmes optiques intégrés qui utilisent par exemple des éléments optiques qui nécessitent un couplage de faisceau libre. La lumière diffusée sortant d’un guide d’ondes peut être collimatée pour réduire les pertes lors de la rentrée dans le guide d’ondes suivant. La solution optique sera également pertinente pour le traitement de matériaux avec des faisceaux lumineux ultra-puissants ou pour la transmission de lumière infrarouge ou UV à ondes courtes. D’autres applications prometteuses peuvent être imaginées dans le domaine des télécommunications.
Fourni par Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM