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Fibre optique sur mesure destinée à de multiples applications

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La Haute école spécialisée bernoise a développé en collaboration avec l’Université de Berne un processus innovant pour fabriquer des fibres optiques. Celui-ci offre de nouvelles possibilités à l’utilisation de la technologie laser.

Les fibres optiques sont l’artère vitale de l’économie. Des millions de kilomètres de câbles en fibre optique ont été posés et relient continents, pays et villes. En tant que purs conducteurs d’ondes lumineuses, ces fibres optiques passives transmettent rapidement et de manière fiable de grandes quantités de données sous forme de packs éclairage, par exemple dans le secteur des télécommunications. Le procédé «Modified Chemical Vapor Deposition» (MCVD) permet de produire du verre d’une extrême pureté. Les fibres optiques qui en résultent présentent de faibles pertes de transmission lumineuse, la perte minimale théoriquement possible étant presque atteinte.

Dr Sönke Pilz, physicien, collaborateur scientifique, dans la tour d’étirage lors de la fabrication de fibres optiques.

Les fibres optiques peuvent faire bien plus. Les fibres optiques peuvent non seulement diriger la lumière, mais aussi la produire. Plusieurs kilowatts de lumière laser continue peuvent être obtenus à partir d’un noyau de fibre optique de 2 centièmes de millimètres d’épaisseur. Dans la meilleure qualité du faisceau, sans réajustement de structures laser complexes, sans interruption – idéal pour les applications industrielles telles que la coupe de tôles d’acier ou pour l’impression 3D de pièces métalliques à partir de poudre.

Le faisceau laser, qui passait autrefois par des constructions de miroirs peu commodes pour atteindre la zone de traitement, peut désormais être guidé vers la pièce à traiter par des fibres de verre dans la même conduite de câbles que les lignes électriques – un grand progrès pour la mécanique. Et la même fibre optique peut rapporter des informations de la surface de la pièce à traiter, ce qui permet d’améliorer considérablement la sécurité du processus et des utilisateurs dans l’atelier de production ou dans la salle d’opération.

Le défi du dopage laser

Une fibre de verre active pour la génération et la transmission du rayonnement laser doit répondre à des exigences particulières. Sa principale caractéristique est un noyau de verre, auquel on a ajouté un matériau actif au laser, généralement des terres rares. Ce processus d’intégration ciblée de substances étrangères dans le verre de quartz à haute pureté du cœur de la fibre est appelé dopage.

Un défi de la production de fibres optiques actives consiste à mélanger au verre le matériau actif au laser, pour qu’il en résulte un noyau de fibre avec un dopage homogène et précis. La production devrait également être simple et fiable, afin que les fibres de verre à propriétés spécifiques puissent être produites rapidement à un cout raisonnable. Le «Centre de compétence Fibres et lasers à fibre», auquel se sont associés le groupe de recherche Technologie laser appliquée (AFT) de la Haute école spécialisée bernoise et l’Institut de physique appliquée (IAP) de l’Université de Berne, y travaille justement. L’IAP se penche principalement sur les bases, alors que le groupe AFT se concentre sur les processus de fabrication des matériaux et des fibres ainsi que les mises en œuvre dans les applications industrielles. Les partenaires peuvent à tout moment contrôler leurs développements en pratique et produire des fibres optiques dans la tour d’étirage de fibres de l’Université de Berne.

Inspiré par Venise

Martin Hochstrasser, chimiste, collaborateur scientifique, lors de la production de gels.

Le succès peut bloquer les idées alternatives. Dans les années 1980 et 1990, cette constatation s’appliquait au développement de nouveaux procédés de fabrication de fibres optiques. Presque personne ne fabriquait des fibres optiques autrement qu’avec MCVD. Mais le procédé parfait pour fabriquer des fibres passives de télécommunication n’était pas idéal pour produire des fibres optiques actives. Les noyaux en fibre de verre devaient être ronds, ce qui n’est pas toujours optimal pour la construction de lasers à fibre optiques modernes. Les dopants ne pouvaient être ajoutés au verre qu’en petites quantités et leur répartition n’était pas homogène.

Le souvenir de l’art vénitien du soufflage de verre a procuré la solution au problème. Pour produire leurs verres purs et colorés, les Vénitiens ont réduit en fines poudres homogènes les matières premières avec des cristaux de quartz. L’innovation de l’équipe de recherche bernoise réside principalement dans le fait qu’ils fabriquent du verre à partir d’une poudre dont chaque grain contient déjà les matériaux actifs au laser. Un procédé spécial permet de produire un verre de la pureté requise et n’importe quel dopage est combiné à volonté avec l’oxyde de silicium. Avec ce procédé sol-gel, les matières dopantes sont tout d’abord dissoutes par procédé chimique dans un «verre liquide» (tétraéthoxysilane à température ambiante). De longs procédés connus et le chauffage permettent de transformer la solution en gel et plus tard en poudre solide par séchage. Celle-ci est mise dans un tube en verre appelé préforme et se transforme en noyau de fibre active au laser pendant le processus de fusion dans la tour d’étirage des fibres.

Le groupe de chercheurs AFT travaille de manière interdisciplinaire au développement de ce procédé. Un laboratoire bien équipé est à leur disposition et la Spin-off BFH ReseaChem, le spécialiste et partenaire de la production de sol-gels, se trouve dans le même bâtiment.

Transfert international de technologie

Aujourd’hui, le centre de compétence Fibres et Lasers à fibres est leader de la fabrication de fibres lasers avec procédé sol-gel/poudre. À long terme, les chercheurs et chercheuses aimeraient constituer une «bibliothèque» de fibres laser, soit de poudres dopées aux propriétés spécifiques. Selon la longueur d’onde requise par un utilisateur industriel pour son laser, les fibres de verre correspondantes pourraient être fabriquées rapidement. L’intégration de systèmes laser modernes dans les machines à usiner constitue l’objectif global du groupe de recherche Technologie de fibre appliquée. Dans le cadre des projets Innosuisse cofinancés par la Confédération, il collabore aussi avec des partenaires industriels – actuellement par exemple avec des entreprises sud-coréennes. Les résultats de ce transfert de technologie obtenus à ce jour permettent d’espérer, dans un proche avenir, des applications innovantes avec de nouvelles longueurs d’ondes, notamment des applications jusqu’ici impossibles avec les méthodes standards de production de fibres optiques.