Brevet FR3123120A1 — publié le 20221125

L’invention porte sur un dispositif d’interrogation spectral, comportant : - une source optique (3) pour émettre un signal lumineux (13), - une fibre optique de mesure (5) comprenant une suite de réseaux de Bragg (15) successifs pour réfléchir le signal lumineux selon des bandes de longueurs d’ondes différentes, - une fibre optique de réflexion (7) comprenant un élément de réflexion totale (19), - un détecteur (9) de longueurs d’ondes, et - un switch optique (11) pour commuter le passage du signal lumineux entre ladite source optique (3), ladite fibre optique de mesure (5), ladite fibre optique de réflexion (7), et ledit détecteur (9) selon une séquence de trois modes opératoires comprenant un premier mode, dans lequel le signal lumineux émis par une source optique (3) donnée est guidé depuis ladite source optique vers une fibre optique de mesure (5) correspondante, un deuxième mode, dans lequel ledit signal lumineux est guidé pour faire un nombre prédéterminé d’aller-retour dans une ligne formée par un couplage entre ladite fibre optique de mesure (5) et une fibre optique de réflexion (7) correspondante, générant ainsi un retard prédéterminé entre les réseaux de Bragg successifs, et un troisième mode, dans lequel ledit signal lumineux est guidé vers un détecteur (9) correspondant qui est configuré pour mesurer successivement les bandes de longueurs d’ondes associées aux réseaux de Bragg. Fig. 1 DISPOSITIF D’INTERROGATION SPECTRAL DE LONGUEURS D’ONDES DE BRAGG La présente invention concerne le domaine des mesures (par multiplexage temporel) dans des fibres optiques à réseaux de Bragg et plus particulièrement, des interrogateurs spectraux de longueurs d’ondes de Bragg pouvant être utilisés dans des capteurs à fibres optiques. Etat de la technique antérieure Dans le domaine de capteurs à fibres optique, on utilise très souvent des réseaux de Bragg pour extraire une information spectrale. Une des techniques d’extraction de mesure est la mesure par multiplexage temporel (TDM : Time Domain Multiplexing). Cette technique consiste à mesurer un par un les pics de Bragg issus d’une ligne à réseaux de Bragg. Cette méthode implique une mesure en série des pics qui ne sont pas coïncidents (chaque pic de Bragg est retardé temporellement par rapport au pic précédent). Dans l’état de l’art, il existe principalement deux solutions à base de TDM. Une première solution consiste à faire une séparation temporelle par distanciation spatiale des réseaux de Bragg FBG (Fibre Bragg Grating). La illustre très schématiquement un dispositif d’interrogation spectral à séparation temporelle par distanciation spatiale, selon l’art antérieur. Le dispositif d’interrogation spectral comporte une source optique 103, une fibre optique de mesure 105, un circulateur 123 et un détecteur 109. Lorsqu’un signal lumineux est émis par la source optique 103, il est dirigé par le circulateur optique 123 vers la fibre optique de mesure 105. Cette dernière comprend plusieurs réseaux de Bragg 115 assez espacés spatialement afin de créer un écart temporel gérable par l’électronique du détecteur 109. Les pics de lumières reflétés par les différents réseaux de Bragg sont ensuite dirigés par le circulateur optique 123 vers le détecteur 109. Ce dispositif est assez simple et ne nécessite pas d’éléments supplémentaires dans la chaine d’acquisition. Toutefois, il est nécessaire d’imposer une distance minimale entre deux réseaux de Bragg successifs typiquement de l’ordre d’au moins 1m. Par exemple, pour une source émettant un pulse lumineux de 30 ns, il est nécessaire que le retard temporel soit d’au moins 30 ns pour pouvoir distinguer deux pics de lumière consécutifs. En tenant compte du trajet de retour de deux pics réfléchis par deux réseaux de Bragg successifs, la distance entre ces deux réseaux de Bragg successifs doit correspondre à un retard de 15 ns. Compte tenu de la vitesse de lumière dans la silice, un retard de 15 ns correspond alors à une distance inter-réseaux de 3 m. En outre, une application classique comporte de manière générale, une quinzaine de réseaux de Bragg nécessitant par conséquent, une longueur de fibre d’au moins 45 m. En prenant une marge de sécurité de 10 % à 20 %, on aboutit à une longueur de fibre d’au moins 55 m. Ceci rend impossible ou très compliqué les applications à faible encombrement par exemple dans les aubes d’un moteur d’aéronef ou dans d’autres équipements ou installations de relativement faibles dimensions. Afin de résoudre ce problème, il existe actuellement une deuxième solution qui propose une séparation temporelle par le biais d’un retard spectral. Cette solution consiste à imposer un retard dépendant de la longueur d’onde ou de la plage spectrale du signal lumineux. Cette méthode nécessite l’ajout d’un élément de discrimination spectrale ainsi qu’un élément de retard et peut être réalisée selon deux configurations. La illustre très schématiquement un dispositif d’interrogation spectral à séparation temporelle par des retards parallélisés, selon l’art antérieur. Le dispositif d’interrogation spectral par des retards parallélisés selon cette première configuration comporte une source optique 103, deux modules de démultiplexage-multiplexage 114, 116, un ensemble de fibres optiques à retards 118 parallélisés, une fibre optique de mesure 105, un circulateur optique 123 et un détecteur 109. Le signal lumineux émis par la source optique 103 est décomposé en N voies spectrales via le premier module de démultiplexage-multiplexage 114. A chacune des voies est associée une longueur de trajet croissante. La voie 1 parcourra une longueur L 1 , la voie 2 une longueur L 2 supérieure à L 1 , …, et la voie N une longueur L N supérieur à L N-1 . La différence entre deux longueurs successives est choisie pour que l’électronique du détecteur 109 soit capable de discriminer les signaux provenant de deux voies spectrales différentes. Les N voies spectrales sont ensuite recombinées par le deuxième module de démultiplexage-multiplexage 116 avant d’être dirigées vers la fibre optique de mesure 105 comprenant plusieurs réseaux de Bragg 115. Les pics de lumières reflétés par les réseaux de Bragg parcourent les chemins inverses avant d’être dirigés par le circulateur 123 vers le détecteur 109. La illustre très schématiquement un dispositif d’interrogation spectral à séparation temporelle par des retards en série, selon l’art antérieur. Le dispositif d’interrogation spectral par des retards en série selon cette deuxième configuration comporte une source optique 103, deux circulateurs optiques 123, 124, une ligne de fibre optique de retards 120 en série, une fibre optique de mesure 105, et un détecteur 109. La ligne de fibre optique de retards 120 en série comporte des réseaux de Bragg 115 à des longueurs d’onde différentes. Chaque réseau de Bragg est un réflecteur dans une certaine bande spectrale. La distance entre deux réseaux de Bragg assure ainsi le retard entre deux voies spectrales. Un signal lumineux émis par la source optique 103 est dirigé par le premier circulateur optique 123 vers la ligne de fibre optique de retards 120 en série. Les différentes voies reflétées par les différentes réseaux de Bragg sont ensuite dirigées par le deuxième circulateur optique 124 vers la fibre optique de mesure 105 et au retour vers le détecteur 109. Toutefois, la séparation temporelle par le biais d’un retard spectral parallélisé ou en série nécessite d’avoir des fibres optiques dont les longueurs sont relativement importantes pour pouvoir générer un retard entre les mesures de réseaux de Bragg. Il faut typiquement plusieurs dizaines de mètres. En outre, il résulte une contrainte de positionnement spectral des réseaux nécessitant de faire coïncider avec précision la longueur d’onde de chacun des réseaux de Bragg avec une plage spectrale définie. De plus, le nombre de réseaux de Bragg ainsi que le retard entre réseaux de Bragg sont figés par construction dans tous les dispositifs d’interrogation spectral de l’état de l’art. Il n’est pas possible d’adapter les retards imposés par construction en fonction des retards nécessaires pour différentes applications. On notera qu’une application donnée est définie par un certain nombre de paramètres comprenant le nombre de réseaux de Bragg, les longueurs d’ondes des réseaux de Bragg et l’espacement spatial entre ces réseaux. Ainsi, si on change d’application, il faudra modifier toute la configuration matérielle pour avoir des paramètres adaptés à la nouvelle application. L’objet de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un dispositif d’interrogation spectral permettant de mesurer successivement des bandes de longueurs d’ondes de Bragg d’au moins une fibre optique de manière précise, robuste et flexible où les paramètres peuvent être adaptés à l’application. Présentation de l’invention L’invention a pour objet un dispositif d’interrogation spectral de longueurs d’ondes de Bragg, comportant : - au moins une source optique configurée pour émettre un signal lumineux, - au moins une fibre optique de mesure comprenant une suite de réseaux de Bragg successifs configurés pour réfléchir le signal lumineux selon des bandes de longueurs d’ondes différentes, - au moins une fibre optique de réflexion comprenant un élément de réflexion totale, - au moins un détecteur de longueurs d’ondes, et - au moins un switch optique configuré pour commuter le passage du signal lumineux entre ladite au moins une source optique, ladite au moins une fibre optique de mesure, ladite au moins une fibre optique de réflexion, et ledit au moins un détecteur selon une séquence de trois modes opératoires comprenant un premier mode, dit mode de démarrage, dans lequel le signal lumineux émis par une source optique donnée est guidé depuis ladite source optique vers une fibre optique de mesure correspondante, un deuxième mode, dit mode de mesure, dans lequel ledit signal lumineux est guidé pour faire un nombre prédéterminé d’aller-retour dans une ligne formée par un couplage entre ladite fibre optique de mesure et une fibre optique de réflexion correspondante, générant ainsi un retard prédéterminé entre les réseaux de Bragg successifs, et un troisième mode, dit mode de détection, dans lequel ledit signal lumineux est guidé vers un détecteur correspondant qui est configuré pour mesurer successivement les bandes de longueurs d’ondes associées aux réseaux de Bragg compris dans ladite fibre de mesure. Ce dispositif permet de mesurer successivement les bandes de longueurs d’ondes de Bragg d’au moins une fibre optique de manière précise, robuste et flexible. Il permet de fortement diminuer la contrainte sur la distance entre deux réseaux de Bragg successifs. Le choix des bandes de longueurs d’ondes des réseaux de Bragg est arbitraire, il n’est pas obligatoire qu’ils se trouvent au centre d’un intervalle donné. En outre, il est peu gourmand en longueur de fibre optique, la fibre optique de mesure sert elle-même de retardateur. Avantageusement, le dispositif comporte au moins un driver paramétrable configuré pour commander la commutation du switch optique lors des modes de démarrage, de mesure et de détection selon des paramètres prédéterminés. Ainsi, le dispositif est dynamique de sorte qu’il est facilement adaptable à différents types d’applications. Avantageusement, ledit au moins un driver paramétrable est configuré pour contrôler le nombre prédéterminé d’aller-retour du signal lumineux lors du mode de mesure en fonction de la distance entre les réseaux de Bragg et la cadence de mesure du détecteur. Ainsi, en adaptant le nombre d’aller-retour selon le retard souhaité entre les réseaux de Bragg successifs, le dispositif peut présenter une distance minimale entre deux réseaux de Bragg consécutifs pouvant ainsi être installé dans des équipements de tailles réduits. Avantageusement, ladite au moins une source optique est une source de signaux lumineux à large bande spectrale dont la largeur est entre environ 10 nm et environ 150 nm, la période d’un pulse de lumière étant comprise entre environ 10 ns et environ 100 ns. Avantageusement, ladite au moins une source optique est une source à spectre large (ex : SLED ou ASE) configurée pour émettre à chaque instant d’émission, un signal lumineux comprenant toutes les longueurs d’ondes de la bande spectrale. Avantageusement, le dispositif comporte des longueurs supplémentaires de fibres optiques configurées pour tenir compte du temps de propagation du signal lumineux ainsi que du temps de commutation du switch optique. Ceci permet de laisser une marge d’incertitude pour ne pas être à la nanoseconde près et pour être sûr qu’on ne coupe pas le train au milieu. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif comporte au moins un circulateur configuré pour coupler ladite fibre optique de mesure à ladite source correspondante lors du mode de démarrage et pour coupler ladite fibre optique de mesure audit détecteur correspondant lors du mode de détection. Avantageusement, ledit au moins un switch optique est configuré pour commuter le passage du signal lumineux selon deux commutations dont une première commutation dans laquelle ladite fibre optique de mesure est connectée à ladite source correspondante via le circulateur correspondant conformément au mode de démarrage, une deuxième commutation dans laquelle ladite fibre optique de mesure est connectée à ladite fibre optique de réflexion correspondante conformément au mode de mesure, et un retour à la première commutation, dans laquelle ladite fibre optique de mesure est connectée audit détecteur correspondant via ledit circulateur conformément au mode de détection. Avantageusement, le dispositif comporte : -un ensemble de N premières voies de fibres optiques, dont chacune comporte une source, un circulateur, et un détecteur, -un ensemble de N deuxièmes voies de fibres optiques, dont chacune correspond à une fibre optique de réflexion, -un ensemble de M troisièmes voies de fibres optiques, dont chacune correspond à une fibre optique de mesure, et ledit au moins switch optique est un switch optique multiple configuré pour connecter entre eux les différentes premières voies, deuxièmes voies et troisièmes voies selon lesdits modes de démarrage, de mesure et de détection et en associant ledit ensemble de N premières voies audit ensemble de N deuxièmes voies pour interroger les réseaux de Bragg compris dans ledit ensemble de M troisièmes voies. Selon un deuxième mode de réalisation, ledit au moins un switch optique est configuré pour commuter le passage du signal lumineux selon trois connexions dont une première connexion dans laquelle ladite fibre optique de mesure est connectée à ladite source correspondante conformément au mode de démarrage, une deuxième connexion dans laquelle ladite fibre optique de mesure est connectée à une fibre optique de réflexion correspondante conformément au mode de mesure, et une troisième connexion, dans laquelle ladite fibre optique de réflexion est connectée audit détecteur correspondant conformément au mode de détection. Avantageusement, le dispositif comporte : -un ensemble de N premières voies de fibres optiques, dont chacune comporte une source, -un ensemble de N deuxièmes voies de fibres optiques, dont chacune correspond à une fibre optique de réflexion, -un ensemble de M troisièmes voies de fibres optiques, dont chacune correspond à une fibre optique de mesure, et -un ensemble de N quatrième voies de fibres optiques, dont chacune comporte un détecteur, et ledit au moins un switch optique est un switch multiple configuré pour connecter entre eux les différentes premières voies, deuxièmes voies, troisièmes voies et quatrièmes voies selon lesdits modes de démarrage, de mesure et de détection et en associant ledit ensemble de N premières voies audit ensemble de N deuxièmes voies et audit ensemble de N quatrième voies pour interroger les réseaux de Bragg compris dans ledit ensemble de M troisièmes voies. L’invention vise également un capteur comportant un dispositif selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes, ledit capteur étant configuré pour mesurer un paramètre physique à partir des variations des bandes de longueurs d’ondes de Bragg. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. Brève description des figures On décrira à présent, à titre d’exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l’invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : illustre très schématiquement un dispositif d’interrogation spectral de longueurs d’ondes de Bragg, selon un mode de réalisation de l’invention ; illustrent très schématiquement des variantes d’un dispositif d’interrogation spectral, selon un premier mode préféré de réalisation de l’invention ; illustrent très schématiquement des variantes d’un dispositif d’interrogation spectral, selon un deuxième mode préféré de réalisation de l’invention ; illustre de manière schématique un capteur de mesure d’un paramètre physique par réseaux de Bragg, selon un mode de réalisation de l’invention ; illustre très schématiquement un dispositif d’interrogation spectral à séparation temporelle par distanciation spatiale, selon l’art antérieur ; et illustrent très schématiquement des dispositifs d’interrogation spectral à séparation temporelle par des retards parallélisés et en série respectivement, selon l’art antérieur. Dispositif d’interrogation spectral de longueurs d’ondes de Bragg, comportant : - au moins une source optique (3) configurée pour émettre un signal lumineux (13), - au moins une fibre optique de mesure (5) comprenant une suite de réseaux de Bragg (15) successifs configurés pour réfléchir le signal lumineux selon des bandes de longueurs d’ondes différentes, - au moins une fibre optique de réflexion (7) comprenant un élément de réflexion totale (19), - au moins un détecteur (9) de longueurs d’ondes, et - au moins un switch optique (11) configuré pour commuter le passage du signal lumineux entre ladite au moins une source optique (3), ladite au moins une fibre optique de mesure (5), ladite au moins une fibre optique de réflexion (7), et ledit au moins un détecteur (9) selon une séquence de trois modes opératoires comprenant un premier mode, dit mode de démarrage, dans lequel le signal lumineux émis par une source optique (3) donnée est guidé depuis ladite source optique vers une fibre optique de mesure (5) correspondante, un deuxième mode, dit mode de mesure, dans lequel ledit signal lumineux est guidé pour faire un nombre prédéterminé d’aller-retour dans une ligne formée par un couplage entre ladite fibre optique de mesure (5) et une fibre optique de réflexion (7) correspondante, générant ainsi un retard prédéterminé entre les réseaux de Bragg successifs, et un troisième mode, dit mode de détection, dans lequel ledit signal lumineux est guidé vers un détecteur (9) correspondant qui est configuré pour mesurer successivement les bandes de longueurs d’ondes associées aux réseaux de Bragg compris dans ladite fibre de mesure. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un driver paramétrable (12) configuré pour commander la commutation du switch optique (11) lors des modes de démarrage, de mesure et de détection selon des paramètres prédéterminés. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit au moins un driver paramétrable (12) est configuré pour contrôler le nombre prédéterminé d’aller-retour du signal lumineux lors du mode de mesure en fonction de la distance entre les réseaux de Bragg (15) et la cadence de mesure du détecteur (9). Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite au moins une source optique (3) est une source de signaux lumineux à large bande spectrale dont la largeur est entre environ 10 nm et environ 150 nm, la période d’un pulse de lumière étant comprise entre environ 10 ns et environ 100 ns. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite au moins une source optique (3) est une source large bande configurée pour émettre à chaque instant d’émission, un signal lumineux comprenant toutes les longueurs d’ondes de la bande spectrale. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte des longueurs supplémentaires (21) de fibres optiques configurées pour tenir compte du temps de propagation du signal lumineux ainsi que du temps de commutation du switch optique. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un circulateur (23) configuré pour coupler ladite fibre optique de mesure à ladite source correspondante lors du mode de démarrage et pour coupler ladite fibre optique de mesure (5) audit détecteur (9) correspondant lors du mode de détection. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit au moins un switch optique (11) est configuré pour commuter le passage du signal lumineux selon deux commutations dont une première commutation dans laquelle ladite fibre optique de mesure (5) est connectée à ladite source (3) correspondante via le circulateur (23) correspondant conformément au mode de démarrage, une deuxième commutation dans laquelle ladite fibre optique de mesure (5) est connectée à ladite fibre optique de réflexion (7) correspondante conformément au mode de mesure, et un retour à la première commutation, dans laquelle ladite fibre optique de mesure (5) est connectée audit détecteur (9) correspondant via ledit circulateur (23) conformément au mode de détection. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu’il comporte : -un ensemble de N premières voies (V11-V1N) de fibres optiques, dont chacune comporte une source (3), un circulateur (23), et un détecteur (9), -un ensemble de N deuxièmes voies (V21-V2N) de fibres optiques, dont chacune correspond à une fibre optique de réflexion (7), -un ensemble de M troisièmes voies (V31-V3M) de fibres optiques, dont chacune correspond à une fibre optique de mesure (5), et en ce que ledit au moins un switch optique (11) est un switch optique multiple configuré pour connecter entre eux les différentes premières voies, deuxièmes voies et troisièmes voies selon lesdits modes de démarrage, de mesure et de détection et en associant ledit ensemble de N premières voies audit ensemble de N deuxièmes voies pour interroger les réseaux de Bragg compris dans ledit ensemble de M troisièmes voies. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit au moins un switch optique (11) est configuré pour commuter le passage du signal lumineux selon trois connexions dont une première connexion dans laquelle ladite fibre optique de mesure (5) est connectée à ladite source (3) correspondante conformément au mode de démarrage, une deuxième connexion dans laquelle ladite fibre optique de mesure (5) est connectée à une fibre optique de réflexion (7) correspondante conformément au mode de mesure, et une troisième connexion, dans laquelle ladite fibre optique de réflexion (7) est connectée audit détecteur (9) correspondant conformément au mode de détection. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’il comporte : -un ensemble de N premières voies (V11-V1N) de fibres optiques, dont chacune comporte une source, -un ensemble de N deuxièmes voies (V21-V2N) de fibres optiques, dont chacune correspond à une fibre optique de réflexion, -un ensemble de M troisièmes voies (V31-V3M) de fibres optiques, dont chacune correspond à une fibre optique de mesure (5), et -un ensemble de N quatrième voies (V41-V4N) de fibres optiques, dont chacune comporte un détecteur, et en ce que ledit au moins un switch optique (11) est un switch multiple configuré pour connecter entre eux les différentes premières voies, deuxièmes voies, troisièmes voies et quatrièmes voies selon lesdits modes de démarrage, de mesure et de détection et en associant ledit ensemble de N premières voies audit ensemble de N deuxièmes voies et audit ensemble de N quatrième voies pour interroger les réseaux de Bragg compris dans ledit ensemble de M troisièmes voies. Capteur comportant un dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit capteur (61) étant configuré pour mesurer un paramètre physique à partir des variations des bandes de longueurs d’ondes de Bragg.