Brevet FR2012375A1 — publié le 19700320

22S83 1012375 la présente invention se rapporte à un élément à effet de Earaday, à utiliser dans un dispositif d'isolement optique et au procédé pour le fabriquer. Plus généralement, la présente invention se rapporte à un dispositif d'isolement optique. 5 L'angle 9 de la polarisation rotatoire d'un élément à effet de Faraday est donné par 9 = VHL, où H représente l'intensité de champ magnétique dans la direction de déplacement de l'onde lumineuse, L représente la longueur optique du milieu de transmission de lumière dans le champ magnétique et V est une constante. 10 La constante V est appelée constante de Verdet et est définie comme étant positive lorsqu'elle donne la polarisation rotatoire dans la direction du courant passant à travers le solénolde fourni pour produire le champ magnétique H. Il est bien connu que la direction de la polarisation rotatoire dépend de la direction du 15 champ magnétique et non pas de la direction du déplacement de l'onde lumineuse soumise à la polarisation rotatoire. Une matière adaptée à un élément à effet de Earaday doit a-voir une constante de Verdet V bien stabilisée, de grande valeur absolue, et une faible constante d'atténuation. En d'autres ter-20 mes, on exige qu'une telle matière soit transparente et ne donne pas d'effets défavorables à la surface de l'onde lumineuse. Parmi les matières qui satisfont à ces exigences, il y a certains genres de verres contenant des matières paramagnétiques ou diama-gnétiques. Des verres en silicate de plomb, métaux lourds, des 25 verres en silicate d'alumine-terbium, des verres en métaphosphate de terbium et des verres en phosphate de cérium en sont des exemples typiques. Cependant, pour obtenir la polarisation rotatoire detr/4 radian avec ces matières à effets de Faraday placées dans le champ magnétique de 1000 oersteds, le chemin optique à l'inté-30 rieur de la matière doit s'étendre sur plusieurs douzaines de centimètres. Même si une lentille auxiliaire n'est pas suffisante pour retirer complètement les divergences à l'élément à effet de Faraday, la section transversale normale à l'axe doit être assez grande pour tolérer la divergence. Egalement, un guide de lumiè-35 re en verre à grande section transversale n'est pas facile à recourber. L'objet principal de la présente invention est en.conséquence de prévoir des éléments à effet de Faraday ayant une aptitude à la convergence qui surmontera les difficultés mentionnées ci-des-40 sus, ainsi que le procédé pour le fabriquer. 69 22S83 2 2012375 Selon des caractéristiques de la présente invention, on prévoit un élément rotatoire à effet de Faraday, constitué de fibres de verre qui a des propriétés paramagnétiques ou diamagnétiques et dont l'indice de réfraction est le plus élevé sur son axe et 5 diminue peu à peu vers sa surface. Dans l'article de D. W. Berreman publié dans "Bell System Technical Journal, édition de Juillet 1964, pages 1469 à 1479"» on décrit la lentille dite à gaz, dans laquelle le gaz rempli dans un tube reçoit un gradient semblable d'indice de réfraction pour 10 éviter la divergence dans le faisceau lumineux se déplaçant à travers. Egalement, dans l'article de F. Kawakami et J. Nishizawa publié dans "Proceedings of the IEEE, édition de Décembre 1965, pages 2148 à 2149" on donne une explication de la théorie de la lentille à gaz, appliquée à un corps transparent à l'état solide 15 pour former un guide fibreux de lumière convergente. Dans un tel guide de lumière convergente, un faisceau lumineux rendu incident, à sa surface d'une extrémité, se propage le long du guide de lumière oscillant autour de son axe, sans subir de divergence. En conséquence, la différence de vitesse de phase 20 et la divergence du faisceau observées à la surface d'extrémité de sortie du guide de lumière sont minimisées avec un tel guide de lumière convergente. Comme dans le cas de la lentille à gaz, une image optique projetée à la surface d'extrémité d'entrée sur le guide d'onde peut être transmise sensiblement telle qu'elle 25 est à l'extrémité de sortie. En outre, tant que le rayon de courbure est supérieur à une limite inférieure spécifique, la courbure du guide d'onde ne donne pas d'effet défavorable à la propagation du faisceau lumineux à l'intérieur du guide de lumière. Plus exactement, la transmission de l'image optique est rendue seulement 30 possible lorsque l'indice de réfraction diminue symétriquement vers la surface du guide de lumière par rapport à l'axe de celui-ci, et, en particulier, lorsque l'indice de réfraction nr est donné par : nr = n0 ( 1 ~ ar2 ) > 35 cùr représente la distance radiale de l'axe à la section transversale du guide de lumière, ^représente l'indice de réfraction sur l'axe et a est une constante positive. La dimension du spot W'q du faisceau lumineux du mode fondamental adapté au guide de lumière ayant la distribuation d'indi-40 ces de réfraction mentionnée ci-dessus est donnée par : 69 22S83 3 2012375 i J. -2 -i W0 - )2 2 4 a 4 , où À représente la longueur d'onde de la lumière dans l'espace libre. Le faisceau de lumière adapté en mode a une section trans-5 versale constante à l'intérieur du guide de lumière. Egalement, les chemins optiques pris par plusieurs faisceaux de lumière et vus dans le plan normal à la direction du déplacement des faisceaux lumineux sont tout-à-fait réguliers. La fonction du guide d'onde empêchant le faisceau lumineux de diverger est appelée 10 ci-dessous propriété de convergence. La présente invention fournit un élément fibreux à effet de Faraday dont l'indice de réfraction est le plus grand sur son axe et diminue vers sa surface. L'indice de réfraction du verre dépend principalement de sa 15 composition. En conséquence, le gradient d'indices de réfraction est donné à l'élément à effet de Faraday du type à guide fibreux de lumière, au moyen d'un gradient convenable de composition au verre ayant une aptitude à la rotation de Faraday, pour que l'indice de réfraction puisse diminuer de l'axe vers la surface. 20 II est bien connu dans ce domaine technique que les éléments des terres rares telles que le cérium, l'europium et le terbium, donnent la propriété paramagnétique au verre et que le plomb, le thallium et d'autres métaux semblables rendent le verre diamagné-tique. Cependant, il a été presque impossible de fournir un guide 25 de lumière en Verre fibreux qui ait non seulement un gradient d'indices de réfraction mais aussi une propriété paramagnétique ou diamagnétique. En général, du verre en oxydes est composé d'oxydes constituant le verre (Si02, ^O^, ^2^5' e_i: d'oxydes modifica-30 teurs. Le verre ayant la propriété paramagnétique ou diamagnétique contient des oxydes à propriétés paramagnétiques ou diamagné-tiques comme oxydes modificateurs. La demanderesse a découvert que si le rapport de chacun des oxydes contenus dans les oxydes modificateurs est peu à peu modifié vers la surface, alors que 35 les rapports moléculaires entre les oxydes composant le verre et les oxydes modificateurs sont maintenus sans changement, on obtient une masse de verre dont l'indice de réfraction est changé peu à peu dans la direction normale à l'axe du guide de lumière. En se basant sur cette découverte, il est devenu possible de fournir 40 des éléments à effet de Faraday à propriétés paramagnétiques ou diamagnétiques dont l'indice de réfraction diminue de l'axe vers 69 22583 4 2012375 la surface du guide de lumière. En général, l'indice de réfraction d'une substance est intimement relié à la réfraction moléculaire et au volume moléculaire inhérent à la substance. Plus spécifiquement, plus la réfraction moléculaire est grande, ou plus le volume moléculaire est petit, plus grand est l'indice de réfraction de la substance. D'autre part, la réfraction moléculaire est proportionnelle à l'aptitude à la polarisation de la substance. En général également, la réfraction moléculaire du verre est maintenue pour être approximativement égale à la somme des réfractions moléculaires des ions individuels. En conséquence, l'effet qualitatif de l'existence de ces ions sur l'indice de réfraction du verre peut être déterminé en comptant, dans le verre, les valeurs de polarisation électronique jpar unité de volume des ions en question, ou bien les valeurs exprimées par : Aptitude à la polarisation électronique •2 (rayon ionique) Parmi les cations pouvant composer les oxydes modificateurs, le lithium, le sodium, le potassium, le rubidium, le césium et le thallium sont des exemples typiques convenant au changement du rapport mentionné ci-dessus, le tableau ci-dessous indique, pour chacun de ces ions, le rayon ionique, l'aptitude à la polarisation électronique et le rapport mentionné ci-dessus, aptitude à la polarisation électronique / (rayon ionique) Tableau Ion Rayon ig- Aptitude à la pola- Aptitude à la pola- nique (A) risation électroni- risation électroni-, que (A3) que (rayon ionique}3 Li+ 0,78 0,03 0,0632 ITa+ 0,95 0,41 0,478 K + 1,33 1,33 0,565 Rb+ 1,49 1,98 0,599 Os+ 1,65 3,34 0,744 Tl+ 1,49 5,2 1,572 Puisque chaque ion a son rapport inhérent aptitude à la polarisation électronique / (rayon ionique) l'indice de réfraction du verre contenant des cations composant les oxydes modificateurs est plus grand que celui des verres dont les cations mentionnés ci^dessus sont totalement ou partiellement remplacés par les cations ayant un rapport plus petit que ceux des oxydes aen- 69 22563 5 2Ô1237S tionnés ci-dessus. Comme on le comprendra clairement d'après ce qui précède, un élément à effet de Faraday, du type à guide fibreux de lumière, qui a l'indice de réfraction diminuant vers la surface du guide 5 de lumière à l'intérieur du plan normal à son axe, peut être obtenu en augmentant la concentration dans le verre des cations' constituant les oxydes modificateurs vers sa surface, alors que la concentration dans le verre de cations des oxydes composant le verre donne une masse de verre à propriétés paramagnétiques et 10 diamagnétiques. Cette augmentation de la concentration-en cations entraîne la diminution, dans la direction allant de l'axe de la masse de verre vers sa surface, de la concentration d'autres cations qui composent les oxydes modificateurs ayant un plus grand rapport, aptitude à la polarisation électronique / (rayon ionique)"* T5 que les cations composant les oxydes modificateurs. Les cations composant les oxydes modificateurs contenus dans le verre peuvent être de trois (ou davantage) genres. Supposons par exemple que trois genres différents de cations à rapport mutuellement différents, aptitude à la polarisation / (rayon 20 ionique)-^ soient appelés ion A, ion B, ion C, dans l'ordre de la valeur du rapport. Une massé de verre dans laquelle la concentration d'ion B augmente dans la direction allant de l'intérieur vers la surface, tandis que celles des deux ions A et C diminue dans la même direction, a une distribution d'indices de réfrac-25 tion qui diminue peu à peu vers la surface. Plus spécifiquement, si la différence des ions C et B dans le rapport aptitude à la polarisation électronique / (rayon ionique)^ est considérablement plus faible que la différence correspondante entre les ions B et A ou si la variation de la concentration d' ion C est plus 30 petite que l'une quelconque de celles des ions A. et B, l'indice de réfraction adopte une distribution, dans le plan.normal au guide d ' ondes, telle 69 22583 6 2012375 Selon la présente invention, l'_élément à effet de Faraday est fabriqué par le procédé suivant. Un verre fibreux contenant des premiers cations pouvant composer les oxydes modificateurs est amené en contact avec un sel qui comprend des seconds cations pou-5 vant composer les oxydes modificateurs à plus faible rapport •Z aptitude à la polarisation électronique / (rayon ionique) , de sorte que des premiers cations distribués dans la région de surface du verre peuvent être remplacés par les seconds cations dans le sel. Pour faciliter la substitution, le sel et le verre sont 10 chauffés jusqu'à la température à laquelle ies premiers et les seconds cations peuvent diffuser dans le verre. Par suite de la diffusion des seconds cations dans le verre, à travers la surface de limite entre le sel et le verre, une partie des premiers cations qui étaient contenus dans le verre émerge du verre par la 15 diffusion. Ceci entraîne le remplacement de3 premiers cations dans la région de surface du verre par les seconds cations dans le sel. La concentration des seconds cations diffusés dans le verre est la plus élevée à la surface de la masse de verre et diminue vers son axe. 20 Réciproquement, la concentration des premiers cations qui existaient dans le verre, dans le stade initial de traitement, tend à diminuer dans la région de surface. Elle est la plus forte sur l'axe de la masse de verre et diminue vers sa surface proportionnellement à la distance à partir de l'axe. En conséquence, il 25 s'en suit qu'après le procédé de substitution d'ions, l'indice de réfraction est le plus faible à sa surface et augmente vers son axe proportionnellement à la profondeur. i' indice de réfraction sur l'axe serait virtuellement celui de la masse de verre avant d'être soumise à la substitution d'ions. 30 La distribution d'indices de réfraction à l'intérieur de la massé de verre est affectée par diverses conditions. En ce qui concerne une masse de verre ordinaire cylindrique allongée, ayant une section transversale circulaire, la distribution d'indices .. de réfraction dépend de la dimension et de la géométrie de la mas-35 se de verre avant le procédé de substitution d'ions, de la com-position du sel pour le bain de substitution d'ions, de. la température et du temps de traitement de substitution. Puisque le degré de la diffusion dans la masse de verre dépend de la distance depuis la surface de mise, en contact direct avec le sel, l'in-40 dice de réfraction de la masse de verre cylindrique en forme de 69 22583 7 2012375 tige , après la substitution d'ions, a une distribution symétrique d'indices de réfraction par rapport à l'axe du corps lorsqu'on voit la masse en coupe transversale circulaire, l'indice de réfraction dépend symétriquement de la distance radiale à partir de l'axe. 5 La sélection des diverses conditions du traitement mentionné ci-dessus rend possible d'amener approximativement le gradient d'indices de réfraction à un gradient quadratique idéal. L'élément à effet de Faraday, fabriqué selon des caractéristiques de la présente invention, fournit un dispositif d'isole-10 ment optique, adapté à la transmition de signaux d'impusions de très grande vitesse, parce que la différence de vitesse de phase et la divergence dé faisceaux lumineux sont complètement évitées - dans 1e' corps de verre. L'élément à effet de Faraday selon des caractéristiques de X5 la présente invention n'a pas besoin de lentilles auxiliaires pour la divergence de faisceaux lumineux par suite de la propriété de convergence mentionnée ci-dessus. Egalement, l'élément lui-même est formé en une fibre mince de verre, ayant une section transversale circulaire, d'un diamètre de plusieurs dizaines de microns. 20 Ceci facilite la miniaturisation de la bobine de solénoïde employée pour produire le champ magnétique à appliquer à l'élément à effet de Faraday, en facilitant la miniaturisation du dispositif isolant optique dans son ensemble. Egalement, la flexibilité et la propriété de convergence du corps fibreux permettent à l'isolant d'être 25arbitrairement recourbé. En particulier, lorsque le gradient d'indices de réfraction est rendu plus grand ou, en d'autres termes, lorsque la constante a, mentionnée ci-dessus, est rendue plus grande, la dimension des taches (spots) Wq peut être rendue plus petite en permettant une 30plus grande courbure dans la masse fibreuse. Les faisceaux lumineux adaptés en mode sont rendus incidents sur le guide de lumière à la surface d'extrémité d'entrée de l'élément fibreux qui se déplace à travers l'élément oscillant autour de son axe, sauf en ce qui concerne le faisceaux lumineux 35qui est rendu incident perpendiculairement à la surface d'extrémité d'entrée à son centre et se déplace le long de l'axe. On suppose ici que le champ magnétique appliqué à l'élément à effet de Faraday le long de son axe est uniforme sur toute sa section transversale normale à l'axe. Puisque le diamètre de l'élément est ^suffisamment petit, cette supposition est facilement justifiée. 69 22583 8 2012375 la présente invention sera maintenant décrite en relation avec les exemples de réalisation suivants, représentés dans les dessins ci-joints dans lesquels : Les figures 1 et 2 représentent les caractéristiques des in-5 dices de réfraction et la distribution de concentrations d'ions de l'élément à effet de Faraday, fabriqué selon des caractéristiques de la présente invention, sur la figure 1, on a porté en abscisses la profondeur mesurée à partir de la surface en microns ; sur les ordonnées à droite la constante de Verdet V et sur les 10 ordonnées à gauche l'indice de réfraction nQ ; sur la figure 2, les mêmes abscisses que sur la figure 1 sont indiquées, et on a porté la concentration en ordonnées, et Les figures 3 et 4 représentent l'élément à effet de Faraday tel qu'appliqué à un dispositif d'isolement optique. 15 Exemple 1 Une mince tige de verre, ayant une section transversale circulaire de 0,5 mm de diamètre, contenant 14,0 # en poids de T^O, 66,2 $> en poids de PbO et 19,8 # en poids de SiOg, est immergée pendant 16 heures dans un bain de nitrate de potassium, contenant 20 0»5 $> en poids de nitrate de thallium et maintenue à 400° C. Alors, la tige de verre est tirée du bain, rincée et séchée. L'indice de réfraction sur son axe et sur sa surface est respectivement 1,92 et 1,91. Le gradient d'indices de réfraction à l'intérieur de la tige de verre es.t tel que représenté sur la figure 1. Cette 25 courbe représente approximativement l'expression mentionnée ci- 2 —2 dessus n^ = nQ ( 1 - ar ), pour a : 8,34 cm" . La tige de verre a été alors soumise à l'analyse aux rayons X par électromicrosonde pour déterminer la concentration de Pb++J de Tl+ et de X+. Le résultat est tel qu'indiqué sur la figure 2, 30 dans laquelle les ordonnées représentent de simples valeurs relatives de concentration. Ces dessins montrent clairement qu'une partie des ions Tl+ a été remplacée par des ions K+ et que cette substitution correspond clairement au gradient d'indices de réfraction représenté sur la figure 1. La constante de Verdet pour 35 une longueur d'onde de 0,6328 micron d'une onde lumineuse présente très peu de variation en prenant la valeur à 0,085 mn/Oe.cm, tel que représenté sur la figure 1. Deux surfaces d'extrémité de la tige de verre sont alors polies pour former une tige de 30 cm de longueur, ayant des sur-40 faces d'extrémité lisses normales à son axe. Après avoir disposé 69 22583 9 2012375 la tige de verre le long de l'axe d'un adénoïde, le solénoîde est excité pour appliquer le champ magnétique à la tige. Avec un réglage convenable du courant d'excitation, une polarisation rotatoire de"rf/4 radian est obtenue» comme Ê-isceau lumineux de 5 sortie adapté en mode d'un laser à He-Ne. l'erreur dans l'angle de la polarisation rotatoire et la perte provoquée par la dispersion du faisceau lumineux sont virtuellement négligeables. On n'observe aucune différence de la vitesse de phase dans l'onde lumineuse qui a passé à travers la tige de verre. 10 Exemple 2 Une tige en verre mince, de section transversale circulaire de 0,02 mm de diamètre, contenant 20,0 $ en poids de TlgO^, 12# en poids de Na20, 20 # en poids de PbO et 11,8 # en poids de Si02, est immergée pendant 12 heures dans un bain de nitrate de potas-15 sium maintenu à 450° C. la tige de verre est alors tirée du bain, rincée et séchée. l'indice de réfraction n, sur son axe et à sa d surface est respectivement 1,60 et 1,57. le gradient d'indices de réfraction dans la tige est bien rendu approximativement par 2 2 —2 n = n, ( .1 - ar ) , pour a = 1,88 x 10 ( cm" ). la concentration .». ». 20 d'ions Ï1 et Na diminue vers la surface, tandis que la concentration d'ions K+ augmente vers la surface d'après les observations réalisées. Des résultats expérimentaux très semblables à la tige de l'exemple 1 ont été obtenus pour un échantillon de 60 cm de longueur de l'exemple 2. 25 Exemple 3 Une tige de verre ayant une section transversale circulaire de 0,2 mm de diamètre, contenant 10 $ en poids de Cs20, 16 # en poids de Ha20, 10 # en poids de PbO et 64 i° en poids de Si02, est maintenue immergée pendant 24 heures dans un bain de nitrate de 30 potassium maintenu à 400° C. la tige de verre est alors tirée du. bain, rincée et séchée. l'indice de réfraction sur son axe et à sa surface est respectivement 1,521 et 1,507. la distribution d'indices de réfraction est bien rendue approximativement par p p l'expression n = n^ ( 3 —ar ), pour a = 92 ( cm ). On obser-35 ve d'après le procédé mentionné ci-dessus que la concentration d' ions Pb++ est maintenue constante, tandis que celle des ions Cs+ diminue et que celle des ions Ha+ augmente dans.la direction de l'axe de la tige vers sa surface, les résultats expérimentaux obtenus avec un échantillon de 100 cm de longueur dans l'exemple 40 3 se.sont révélés très semblables à deux de l'exemple 1. 69 22583 10 2012375 Exemple 4 Une tige de verre ayant une section transversale circulaire de 0,2 mm de diamètre contenant 65 $>. en poids de T^O^, 5 $> en poids de TlgO^, et 30 $ en poids de I^O^ a été maintenue immer-5 gée pendant un long moment dans le bain de nitrate de potassium maintenu à température élevée. La tige est alors retirée du bain, rincée et séchée. La distribution désirée d'indices de réfaction est également observée dans cet échantillon. Les résultats expérimentaux obtenus sur un échantillon de 30 cm de longueur montrent 10 que la polarisation rotatoire de TT/4 radian est facilement obtenue avec une efficacité élevée dans la direction opposée à celle de l'échantillon de l'exemple 1. On n'a observé non plus, avec cet échantillon,de perte attribuable à la dispersion du faisceau lumineux. 15 Sur la figure 3» qui représente schématiquement l'élément à effet de Faraday fabriqué par le procédé décrit ci-dessus, on dispose un solénoïde 12 entourant la tige 11 à effet de Faraday. Sur les surfaces d'extrémité d'entrée et de sortie de la tige 11, on fixe deux plaques de polariseur 13 et 14. Le polariseur 14 à 20 l'extrémité de sortie sert de dispositif dit analyseur. Le faisceau lumineux rendu incident sur la tige 11 à l'emplacement de son polariseur 13 dans la direction représentée par une flèche, est polarisé linéairement d'abord par le polariseur 15 et soumis la polarisation rotative, tout en se déplaçant & travers la 25 tige 11 à laquelle le champ magnétique est appliqué par le solénoïde 12. En réglant l'intensité du champ magnétique à une valeur favorable par le contrôle du courant traversant le solénoïde, on obtient facilement la polarisation rotatoire de TT/4 radian. Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, l'élément à 30 effet de Faraday 21 est formé en une bobine. Le long de l'axe de l'élément 21 en forme de bobine, on dispose un conducteur pour appliquer un champ magnétique circulaire à la bobine 21. Aux extrémités d'entrée et de sortie de l'élément 21, on fixe deux polariseurs 23 et 24 correspondant aux polariseurs 13 et 14 de 35 l'exemple de réalisation de la figure 3. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 69 22583 11 2012375 RJSVEHDICATIOHS 1 - Elément à effet de Faraday constitué de verre fibreux, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une matière paramagné- 5 tique et une matière diamagnétique dans laquelle l'indice de réfraction de l'élément est au maximum sur l'axe de l'élément et diminue vers la surface. 2 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diminution de l'indice de réfraction est proportionnelle à la se- 10 conde puissance de la distance de l'axe vers la surface. 3 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux surfaces d'extrémité de l'élément sont polies pour former des surfaces régulières normales à l'axe. 4 - Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que 15 l'élément est linéaire afin d'être t)lacé en parallèle avec le champ magnétique produit par un solénoïde le long de l'axe duquel l'élément doit être disposé. 5 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément est formé en une hélice afin d'être parallèle au champ 20 magnétique produit par un conducteur rectiligne disposé le long de l'axe de l'hélice. 6 - Procédé de fabrication d'un élément à effet de Faraday, à utiliser dans un dispositif d'isolement optique, caractérisé en ce qu'il consiste à immerger une mince masse de verre allongée, 25 contenant au moins un des oxydes paramagnétiques et diamagnéti-ques et au moins des premiers cations, dans un bain de sel comprenant des seconds cations, ayant un rapport plus faible que les premiers cations entre l'aptitude à la polarisation électronique et la troisième puissance du rayon ionique, à maintenir le bain 30 à xine température qui permet aux seconds cations de diffuser dans la masse de verre -, «i bien que les premiers cations peuvent être remplacés par les seconds cations, à retirer la masse de verre hors du bain après une période de temps prédéterminée, à rincer et à sécher la masse de verre. 35