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Quand le verre et la lumière font des étincelles

Quand le verre et la lumière font des étincelles

02.06.2022, par
Mis à jour le 09.06.2022
À l’image de la lumière qu’elles conduisent, les fibres optiques irradient une grande variété d’applications, des télécommunications aux capteurs médicaux. A l'occasion de l'Année du verre, tour d'horizon des avancées dans ces domaines où les scientifiques redoublent de créativité pour doter ces minces filaments de verre de nouvelles propriétés.

Décrétée année internationale du verre1 par les Nations unies, 2022 coïncide, par le plus grand des hasards, avec le centenaire d’une découverte majeure pour l’optiqueFermerBranche de la physique qui étudie le comportement et les propriétés de la lumière : l’effet Brillouin2. À l’instar de la diffusion Raman3, qui décrit la propagation de la lumière par vibrations moléculaires, cet autre phénomène optique rend hommage au Français Léon Brillouin (1889-1969), premier physicien à l’avoir mis en évidence. Bien que la découverte du chercheur suscite peu d’enthousiasme lors de sa publication en 1922, elle n’en demeure pas moins remarquable comme le rappelle Jean-Charles Beugnot, chargé de recherche CNRS à l’institut Femto-ST4 : « Dans son article purement théorique qui explique en substance que la lumière se propage dans toutes les directions grâce aux ondes acoustiques, Brillouin prédit que cette diffusion peut s’accompagner d’un changement de fréquence. Or à l’époque, la majorité des scientifiques spécialistes de l’optique estiment que seule la fluorescence permet d’obtenir un tel décalage en fréquence. » S’il n’obtient pas le prix Nobel de physique pour sa théorie, que le russe Evgenii Gross (1897-1972) démontre en 1930, Léon Brillouin pressent son potentiel applicatif comme la possibilité de déterminer les propriétés mécaniques des matériaux.

Portrait de Léon Brillouin, dans les années 1950.
Portrait de Léon Brillouin, dans les années 1950.

Un siècle après sa mise en évidence, la diffusion Brillouin captive encore les scientifiques qui travaillent sur les fibres optiques. « Tandis que les spécialistes de la spectroscopie s’efforcent d’exalter ce phénomène, les chercheurs qui travaillent dans le domaine des télécommunications et sur les lasers de forte puissance photonique veulent à tout prix l’éliminer car cette diffusion limite la puissance transmise par fibres optiques », résume Jean-Charles Beugnot qui met lui-même à contribution la diffusion Brillouin pour développer de nouvelles générations de capteurs acoustiques. « En faisant circuler de la lumière dans des fibres optiques dont le diamètre a été réduit d’un facteur 100 pour atteindre 1 micromètre (µm), soit un millionième de mètre, il est possible de générer des ondes acoustiques non plus à l’intérieur de la fibre mais tout autour de celle-ci », explique le scientifique. À terme, cet effet dit « non linéaire » pourrait notamment être exploité pour mesurer la pollution dans les eaux souterraines.

Faisceau laser rouge (hélium-néon) passant dans une microfibre optique encapsulée dans un système étanche. En injectant un faisceau laser dans cette microfibre, les chercheurs ont découvert un nouveau mode de diffusion de la lumière impliquant des ondes acoustiques de surface.
Faisceau laser rouge (hélium-néon) passant dans une microfibre optique encapsulée dans un système étanche. En injectant un faisceau laser dans cette microfibre, les chercheurs ont découvert un nouveau mode de diffusion de la lumière impliquant des ondes acoustiques de surface.

Augmenter la capacité de transport par le multiplexage

Dans l’esprit de tout un chacun, les fibres optiques restent largement associées au transport de gros volumes d’informations sur de très longues distances. Une prouesse rendue possible au tournant des années 1970 grâce au développement de procédés dérivés du dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Cette technique permet de produire un barreau de silice appelé « préforme » d’une extrême pureté. Les fibres optiques monomodesFermerDésigne une fibre optique conçue pour n’autoriser qu’un seul chemin optique pour l’onde lumineuse élaborées à partir de cette « préforme » sont ainsi capables de transmettre un même signal lumineux sur une centaine de kilomètres. À titre de comparaison, la lumière ne peut se propager au-delà de vingt mètres dans le verre qui compose nos baies vitrées. Le flux de données que peut prendre en charge chaque fibre optique est en outre sans commune mesure avec celui d’un fil de cuivre. « La capacité maximale d’une fibre optique monomode utilisée dans un câble transocéanique peut atteindre environ 100 térabits par seconde (Tb/s) ce qui équivaut à la transmission de 500 disques Blu-ray chaque seconde », précise Laurent Bigot, directeur de recherche CNRS au laboratoire de Physique des lasers, atomes et molécules5 (Phlam).

Des ouvriers s’assurent de la bonne mise en place d’une bobine géante de câble à fibre optique à bord d’un navire (port de Newington, New Hampshire, États-Unis), en 2018. Google utilisera plus de 4000 miles de câbles, posés au fond des mers, pour relier les États-Unis au Chili, qui abrite le plus grand centre de données de l'entreprise en Amérique latine.
Des ouvriers s’assurent de la bonne mise en place d’une bobine géante de câble à fibre optique à bord d’un navire (port de Newington, New Hampshire, États-Unis), en 2018. Google utilisera plus de 4000 miles de câbles, posés au fond des mers, pour relier les États-Unis au Chili, qui abrite le plus grand centre de données de l'entreprise en Amérique latine.

Mais avec la croissance exponentielle du trafic internet, ces autoroutes de l’information que constituent les câbles de télécommunications sous-marins ou terrestres pourraient bientôt arriver à saturation. Pour limiter ce risque, le scientifique et son équipe développent depuis dix ans une nouvelle génération de fibres multicanales en partenariat avec la société Draka, filiale du groupe italien Prysmian et leader mondial des câbles de télécommunications.

La capacité maximale d’une fibre optique monomode utilisée dans un câble transocéanique peut atteindre environ 100 térabits par seconde (Tb/s) ce qui équivaut à la transmission de 500 disques Blu-ray chaque seconde.

« En mettant à profit le multiplexage spatial qui consiste à augmenter le nombre de chemins optiques dans un volume de verre identique à celui d’une fibre monomode, il est envisageable de multiplier par cent la capacité de transmission de la lumière », souligne le chercheur qui s’est appuyé sur la plateforme FiberTech Lille, basée à l’Institut de recherche sur les composants logiciels et matériels pour l'information et la communication avancée6 (Ircica), pour accélérer la conception de ces fibres innovantes.

À travers cette même plateforme technologique destinée à faciliter la mise en relation des industriels et des chercheurs, l’équipe de Laurent Bigot s’évertue par ailleurs à faire émerger de nouvelles applications dans le domaine de la photonique. Les travaux menés avec la start-up Lightcore Technologies, fondée en 2019 par des ingénieurs et scientifiques de l’institut Fresnel7, de l’institut de recherche XLim8 de Limoges et du laboratoire Phlam, visent par exemple à développer des endoscopes de nouvelle génération : « Il s’agit de mettre au point une technique d’imagerie biomédicale la moins invasive possible à partir de fibres à cœur creux fonctionnalisées à leur extrémité avec une bille de silice faisant office de lentille », explique Laurent Bigot. En injectant le faisceau d’un laser impulsionnel dans le cœur d’une de ces fibres préalablement placées au contact d’un organe ou de cellules vivantes, la détection précoce de certains cancers pourrait bientôt devenir réalité.

Tour de fibrage au Laboratoire de physique des lasers, atomes et molécules (Phlam) à Lille. La préforme, chauffée à haute température, devient élastique comme du chewing-gum. Elle est étirée par un moteur et enroulée autour d’une bobine au fur et à mesure de sa fabrication.
Tour de fibrage au Laboratoire de physique des lasers, atomes et molécules (Phlam) à Lille. La préforme, chauffée à haute température, devient élastique comme du chewing-gum. Elle est étirée par un moteur et enroulée autour d’une bobine au fur et à mesure de sa fabrication.

Fédérer la recherche pour stimuler l’innovation

Ce type de collaboration, fédérant plusieurs laboratoires autour d’un même projet, est l’une des spécificités de la recherche française sur les fibres optiques et l’un de ses principaux atouts. À l’échelle du territoire national, les équipes académiques impliquées dans la conception et la fabrication de fibres innovantes sont ainsi réunies au sein du groupement d’intérêt scientifique (Gis) Grifon9 (pour Groupement d’initiatives pour les fibres optiques nouvelles). « Grâce aux rencontres qu’il organise une fois par an, le Gis Grifon permet à notre communauté de se tenir informée des développements en cours et des outils technologiques à disposition dans les différents centres de recherche. En privilégiant l’émulation entre laboratoires, ce Gis favorise aussi la mise en œuvre de travaux de recherche communs qui constituent souvent la première marche vers des projets collaboratifs plus ambitieux », précise Laurent Bigot, dont le laboratoire est à l’initiative de ce groupement d’intérêt scientifique avec l’Institut de physique de Nice10 (Inphyni) et le XLim.

À gauche, image en microscopie électronique à balayage d'une section transverse de fibre optique dont le cœur contient des nanoparticules. À droite, cône d'étirage montrant le passage de la préforme à la fibre optique.
À gauche, image en microscopie électronique à balayage d'une section transverse de fibre optique dont le cœur contient des nanoparticules. À droite, cône d'étirage montrant le passage de la préforme à la fibre optique.

Au fil du temps, les chercheurs qui développent de nouvelles fibres optiques – fibres cristallines, microstructurées, élaborées à partir de verre d’oxyde, de fluorure ou de chalcogénures, etc. –, ont également tissé des liens étroits avec les acteurs industriels nationaux des télécommunications et des systèmes lasers. « Cette relation privilégiée entre le milieu académique et le monde de l’entreprise contribue à mieux identifier les sujets de recherche amont susceptibles de se concrétiser par de futurs développements technologiques chez les industriels », assure Wilfried Blanc, directeur de recherche CNRS à l’Inphyni. Au sein de ce laboratoire, le physicien travaille sur un nouveau concept de fibre optique contenant des nanoparticules. Cette innovation a démontré très récemment qu’elle pouvait offrir de nouvelles opportunités pour l’élaboration de capteurs. « La transparence a été le leitmotiv du développement des fibres optiques, rappelle Wilfired Blanc. Nous prenons ici le contre-pied de cette approche en exploitant la diffusion de la lumière induite par la présence des nanoparticules. »

La chirurgie thermique constitue un domaine d’application prometteur pour les fibres optiques à base de nanoparticules.

Les fibres optiques nanostructurées conçues par le chercheur pourraient servir à mesurer des variations de température, de contraintes ou d'irradiations par des rayonnements ionisants. Déployée le long d’une aiguille hypodermique, une telle fibre permettrait par exemple de cibler avec une plus grande précision la zone d’injection d’une péridurale afin de renforcer l’efficacité du produit anesthésique. La chirurgie thermique constitue un autre domaine d’application prometteur pour les fibres optiques à base de nanoparticules.

Cette méthode chirurgicale de pointe consiste à élever la température de tissus malades, comme une tumeur cancéreuse, dans le but de les détruire. « En utilisant ce genre de fibre optique, il est possible de cartographier précisément la température, limitant ainsi le risque de surexposition à la chaleur des tissus sains avoisinants », précise Wilfried Blanc.

Miser sur l'infrarouge pour étendre les applications

Comptant parmi les bastions français de la photonique, la Bretagne dispose de plusieurs laboratoires ou groupes de recherche en pointe sur la fabrication de fibres optiques de nouvelle génération. C’est le cas de l’équipe « verres et céramiques » de l’Institut des sciences chimiques de Rennes11 (ISCR) qui élabore depuis les années 1990 des fibres optiques à partir de verres de chalcogénures. Parce qu’ils contiennent des éléments chimiques de la famille des chalcogènes, comme le soufre, le sélénium ou le tellure, ces verres sont capables de transmettre le rayonnement infrarouge jusqu’à une longueur d’onde de 20 µm. « La fabrication de fibres optiques à base de verres de chalcogénures est un processus délicat car il implique de disposer d’une préforme dépourvue de toute contamination que l’on obtient, entre autres, par une succession d’étapes de purification », explique Catherine Boussard-Plédel, ingénieure de recherche CNRS à l’ISCR. Axés sur la spectroscopie par ondes évanescentes dans le moyen infrarouge, les premières recherches de cette spécialiste des verres de chalcogénures ont abouti, en 2011, à la création de la start-up Diafir.

À gauche, verre de chalcogénure dopé avec une terre rare, le néodyme. Il possède la propriété de transmettre la lumière dans l’infrarouge jusqu’à 12 µm. À droite, préforme de fibre à trous de structure hexagonale.
À gauche, verre de chalcogénure dopé avec une terre rare, le néodyme. Il possède la propriété de transmettre la lumière dans l’infrarouge jusqu’à 12 µm. À droite, préforme de fibre à trous de structure hexagonale.

À partir d’une simple goutte de sérum sanguin, les capteurs médicaux développés par cette société sont destinés à dépister les personnes atteintes de stéatohépatite non alcoolique, une maladie du foie dont le diagnostic précoce reste très difficile. Appliqués à l’analyse du liquide synovial, ces mêmes capteurs permettent d’ores et déjà d’évaluer en quelques minutes le risque d’infection ostéoarticulaire.
 

Les fibres en verres de chalcogénures offrent plusieurs perspectives d’application : capteurs médicaux, détection de bactéries dans les produits alimentaires, suivi des niveaux de concentration de polluants, révélation de l’atmosphère des exoplanètes, etc.

« Ces outils de diagnostic utilisent la spectroscopie par ondes évanescentes pour enregistrer le signal infrarouge d’une grande diversité de molécules, en temps réel et par simple contact avec la substance à analyser », détaille Catherine Boussard-Plédel. Loin de se cantonner au domaine médical, ses travaux sur les fibres en verres de chalcogénures offrent bien d’autres perspectives d’application : détection de bactéries dans les produits alimentaires, suivi des niveaux de concentration de polluants, révélation de l’atmosphère des exoplanètes, etc. « Ces outils de diagnostic utilisent la spectroscopie par ondes évanescentes pour enregistrer le signal infrarouge d’une grande diversité de molécules, en temps réel et par simple contact avec la substance à analyser », détaille Catherine Boussard-Plédel.

Il y a tout juste un an, la scientifique de l’ISCR et son équipe ont également débuté une collaboration avec Jean-Marie Tarascon, professeur au Collège de France et chercheur de renommée mondiale dans le domaine du stockage de l’énergie. Objectif de ce nouveau projet : assurer le suivi in situ des phénomènes chimiques inhérents au fonctionnement des batteries pour améliorer leur fiabilité et leur durée de vie. « Afin d’avoir accès à la chimie des batteries pendant leur fonctionnement, nous avons opté pour des capteurs à fibres optiques en verres de chalcogénures alimentées par un laser, détaille la chercheuse rennaise. Ce type de capteur permet de détecter en temps réel l’évolution dynamique des électrolytes et la nature des produits issus de leur décomposition. »

Banc de fabrication de fibres effilées (tapers en anglais). Une fibre optique monomode classique de 125 micromètres de diamètre est étirée en la chauffant à l'aide d'une flamme de butane pour obtenir une fibre effilée de 1 micromètre de diamètre.
Banc de fabrication de fibres effilées (tapers en anglais). Une fibre optique monomode classique de 125 micromètres de diamètre est étirée en la chauffant à l'aide d'une flamme de butane pour obtenir une fibre effilée de 1 micromètre de diamètre.

Des micro-capteurs intégrés pour traquer la pollution aquatique

À une centaine de kilomètres au nord de Rennes, l’institut Fonctions optiques pour les technologies de l’information12 (Foton)  de Lannion exploite lui aussi les verres de chalcogénures mais sous la forme de couches minces. Ces structures microscopiques, façonnées dans les locaux de l’ISCR, sont destinées à des applications en optique intégrée. Cette dernière emploie des technologies similaires à celles de la microélectronique pour réaliser des composants optiques de très petite dimension.

L’institut Foton s’est lancé dans le développement de micro-capteurs optiques pour la surveillance in situ de la qualité de l’eau douce et salée.

Dans le cadre d’un récent projet ANR porté par Virginie Nazabal, directrice de recherche CNRS à l’ISCR, en collaboration avec le Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) et l’Ifremer, l’institut Foton s’est lancé dans le développement de micro-capteurs optiques pour la surveillance in situ de la qualité de l’eau douce et salée. « Cela implique de concevoir un dispositif à la fois compact et portable incorporant le capteur constitué d’un guide d’onde intégré en verre de chalcogénures et une source laser à cascade quantique émettant dans le moyen infrarouge », explique Joël Charrier, maître de conférences à l’institut Foton.

Vérification de l'état de surface et de propreté d'une fibre optique avec un microscope avant son insertion dans une liaison optique-hyperfréquence.
Vérification de l'état de surface et de propreté d'une fibre optique avec un microscope avant son insertion dans une liaison optique-hyperfréquence.

Pour relever ce défi, le chercheur va pouvoir s’appuyer sur le Centre commun lannionnais d’optique (CCLO), une plateforme technologique de l’institut Foton entièrement dédiée à la réalisation et aux caractérisations de circuits optiques intégrés. Une fois opérationnel, ce dispositif de détection miniaturisé sera en mesure d’identifier une large gamme de polluants aquatiques, allant des composés organiques volatiles aux hydrocarbures aromatiques polycycliques, en passant par les nitrates. « Les principales bandes d’absorption des polluants aquatiques se situant dans le moyen infrarouge, la quasi-totalité de ces substances pourront être ciblées par nos capteurs optiques », conclut Joël Charrier. 

Pour en savoir plus sur les nombreux événements organisés toute l'année, en France et à l'international : le site de l'Année du verre - France

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Notes
  • 1. En France, cet événement mobilise les différentes organisations professionnelles et scientifiques représentant le verre au niveau national dont l’Union pour la science et la technologie verrières qui regroupe des chercheurs du monde académique, des industriels du verre et des artistes verriers.
  • 2. Léon Brillouin « Diffusion de la lumière et des rayons X par un corps transparent homogène-Influence de l'agitation thermique », Annales de physique, vol 9., 1922, p 88-122.
  • 3. Cette découverte publiée en 1928 par le scientifique indien Chandrashekhara Venkata Râman, sera saluée par le prix Nobel de physique deux ans plus tard.
  • 4. Franche-Comté électronique mécanique thermique et optique - sciences et technologies (CNRS/Comue Université Bourgogne Franche-Comté).
  • 5. Unité CNRS/Université de Lille.
  • 6. Unité CNRS/Université de Lille.
  • 7. Unité CNRS/Aix-Marseille Université/Centrale Lille.
  • 8. Unité CNRS/Université de Limoges.
  • 9. À ce jour, le Gis Grifon rassemble sept centres de recherche : l’Institut de physique de Nice (CNRS/Univ. Côte d’Azur), le Phlam (CNRS/Univ. de Lille), l’institut Xlim (CNRS/Univ de Limoges), l’équipe « verres et céramiques » de l’Institut des sciences chimiques de Rennes (CNRS/Université de Rennes 1/École nationale supérieure de chimie de Rennes/Insa), l’Institut lumière matière (CNRS/Univ. Claude Bernard Lyon 1), le Laboratoire interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (CNRS/Comue Université Bourgogne Franche-Comté) et l’Institut de chimie de la matière condensée (CNRS/Institut polytechnique de Bordeaux/Université de Bordeaux).
  • 10. Unité CNRS/Université Côte d’Azur.
  • 11. Unité CNRS/Université de Rennes 1/École nationale supérieure de chimie de Rennes/Insa.
  • 12. Unité CNRS/Université de Rennes 1.
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Auteur

Grégory Fléchet

Grégory Fléchet est né à Saint-Étienne en 1979. Après des études de biologie suivies d’un master de journalisme scientifique, il s’intéresse plus particulièrement aux questions d’écologie, d’environnement et de santé. Il est installé à Paris depuis 2007, où il travaille désormais comme journaliste indépendant.

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