Brevet FR2313686A1 — publié le 19761231

La présente invention concerne une fibre optique ou guide d'onde optique. Plus particulièrement, l'invention concerne un guide d'onde optique, du type 'r, comprenant une première couche centrale diélectrique et transparente de plus grand indice de refraction, une seconde couche intermédiaire diélectrique et transparente de plus faible indice de réfraction, et une troisième couche d'un revêtement diélectrique et transparent d'indice de réfraction intermédiaire. Au cours des dernières années, les pertes en transmission des fibres optiques destinées à des transmissions optiques ont été réduites de façon remarquable et il semble maintenant que les applications pratiques d'un système de télécommunications optiques ne soient plus qu'lune affaire de temps. Mais plusieurs problèmes restent encore à résoudre pour l'utilisation des fibres optiques dans les transmissions d'images, qui semblent constituer l'un des domaines d'application les plus importants. Far exemple, sur le plan économique d'un système de télé- communications, il est d'une importance primordiale que les fibres optiques introduisent les pertes les plus faibles possible. A cet effet, la bande de transmission des fibres optiques doit être élargie. Autrement dit, la bande de transmission d'une fibre optique est déterminée essentiellement par des différences de retard de groupe entre plusieurs modes de transmission utilises, et ces différences de retard de groupe augmentent en proportion de la distance de transmission. L'augmentation de la distance de transmission, permettant de tirer profit de la réduction au minimum des pertes de transmission des fibres optiques, entraine donc une restriction de la bande passante. Pour les raisons précitées, il est courant de définir un coefficient de qualité d'une ligne de transmission donnée, en fonction du produit de la largeur de bande par la distance de transmission. Une fibre optique déjà connue, du type appelé généralement une fibre optique à un seul revêtement, présente une disposition en deux couches comprenant une couche centrale d'indice de re fraction plus élevé, appelée généralement " 1J âme , et une cou- che de revêtement d'indice de réfraction plus bas. Mais une fibre optique de ce type présente l'inconvénient que la faible perte de transmission qui constitue la caractéristique la plus remartuable des fibres optiques, ne peut pas être exploitée au maximum en raison des deux points ci-après. Si la différence entre les deux indices de réfraction est réduite de manière à élarr r la plage des bandes disponibles, c'est à dire à réduire au minimum la différence de retard de groupe précité, la capacité de guidage de la fibre optique est également réduite dans une mesure telle qu'elle ne peut plus servir dans des applications pratiques. Au contraire, si la différence entre les deux indices de réfraction est augmentée afin d'augmenter la capacité de guidage, la différence de retard de groupe est également augmentée, ce qui réduit inévitablement la largeur de bande. Fn raison de ces difficultés, les fibres optiques classinues à deux couches ne peuvent être utilisées de façon satisfaisante pour les transmissions à longue distance. La présente invention concerne donc une fibre optique de large bande de transmission qui convient pour la transmission des images et dont le produit de la bande de transmission par la distance est élevé. A cet effet, l'invention concerne un guide d'onde optique de configuration à trois couches, appelé ci-après fibre optique du type ", qui comporte une première couche centrale diélectrique et transparente d'indice de réfraction nO plus élevé, une seconde couche intermédiaire diélectrique et transparente d'indice de réfraction qnO plus bas, et une troisième couche de revêtement diélectrique et transparent d'indice de réfraction pnO intermédiaire ; le rapport de la différence entre le carré de l'indice de réfraction de la première couche et le carré de l'indice de réfraction de la troisième couche, avec la différence entre le carré de l'indice de réfraction de la première couche et le carré de l'indice de réfraction de la seconde couche est inférieur à 2/3, c'est à dire que 1 - q 2 1 - p 3 ans une fibre optique du type W, de la configuration décrite ci-dessus, la valeur du produit de la largeur de bande de transmission par la distance de transmission possible est plus grande que la valeur du produit de la largeur de bande par la distance de transmission possible, déterminée par la possibilité d'un récepteur terminal d'être positionné à l'extrémité d'une liene de transmission.La caractéristique essentialla de cette fibre optique est done sa faible perte en transmission qui peut être matérialisée de façon effective et complète pour la tranmission des sigmaux impossant une plus large bande passante. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtrou am cours de la descrption qui va suivre. Aux dessims annexés, donnés uniquement à titre d'exemple nullement limitatif: les figures 1A et 1B sont respectivement une coupe d'une partie centrale d'une fibre optique classique à un soul revêtement, et une courbe de distribution de ses indices de réfraction. la figure 2A est une courbe mentrant la corrélation entre 1-q et A d'une fibre optique classique à un soul revêtement la figure 2B illustre la corrélation entre # et # de la fibre classique à un soul revâtement. les figures 3A et 3B sont respectivement une coupe d'une partie centrale d'un guide d'onde optique à treis couches selon l'invention et une courbe de distribution de ses indices de réfraction. la figure 4 illustre la corrélation entre # et # lorsque la parte dans un mode de fuite d'ordre inférieur est rendue constante dans la fibre optique du type W selon l'invention, et la figure 3 illustre la illustre la corrélation entre la rapport de largeur de bande entre le guide d'onde classique à un seoul revêtement et la fibre optique du type W selon l'invention, et #. Pour mieux comprendre les principes et les résultats de l'invention, il y a lien de considérer tourt d'abord un guide d'onde optique classique à un soul revêtement. La figure 1A est une courpe d'une fibre optique du type à un soul revêtement, sur laquelle la référence 1 représente une même ou une couche centrale d'indice de réfraction élévé ( = mD ) et la référence 2 représente un revêtement ou une couche d'indice de réfraction inférieur ( =qmD q Dans une fibre optique du type décrit ci-dessus, les modes de propagation HE, EH, TE et TM peuvent être présents, mains les modes ci-après, indiqués entre parenthèses, dégénèrent mutuellement : (HE1m) (HE2m, TE0m, TM0m) (HFn+1,m,HEn-1,m) avec lacondition que n#2. Il en résulte que le mode HEnm(n#1) est inclus dans le grope de tout les modes de propagation ; par conséquent, la discussion ne peut se faire correctement que sur le mode HE, conte mode tpique de propagation. Tout d'abort l'équation caractéristique du mode HE peut se representer approximativement par: Jn(u) /uJn+1(u) = Kn (#) / wKn+1(#) où Jn est une fonction de Bessel Kn est une fonction de Bessel modifiée u est une valeur prope dans une direction radiale d'une âme, # est une valeur propre dans une direction radiale d'un revêtement. Fn outre, les valeurs u et # précitées satisfont 1 1équation ci-après : u + # = # = no ko a (1- q) où ko est un nombre d'ondes dela lumière dans le vide, déter miné par k = #/c =2#/#(#=pulsation optique et o #= longueur d'onde # est considérée comme une fréquence normalisée. La valeur propre u est donnée approximativement par 1 'équa- tion u = où U est une valeur asymptotique de u lorsque #-#. La valeur correspondant au Se HE est donnée par le nm même zéro de la fonction Bessel Jn-1. Par ailleurs, la contance de phase ss est donée par l'équation ci-après : =n02 k02 - (u/a) Par conséquent, le retard de grope dss/dw s'exprime appro ximativement par Il y a lieu d'expliquer ensuite la distribution des modes de propagation. Etant donné que le nombre w des modes de propagation est proportionnel au carré de la fréquence normalisée v, la densité de mode #(U) à U peut s'exprimer par l'équation ciaprès, en supposant que le nombre de modes est suffisamment grand et établit une distribution continue #(U) = ZU/(Umax2 - Umin2) OÙ Umax et Umin sont les valeurs maximales et minimales de U, données respectivement par les formules ci-après dans le cas de la fibre optique à revêtement :: Umax = v exp (1/s ) Umin = U11 = 2405 Le point suivant peut être mentionné, en ce qui concerne la réponse de fréquence en bande de hase. Pourvu que chaque mode de propagation se propage indépendamment avec une puissance uniforme, la fonction de transmission en bande de base G (#s) (#s = pulsation en bande de base ) est déterminée par l'équation ci-après avec une distance de transmission égale à z G(#s)= Umax #(U)exp(-j#s d z) dU d Umin où i est le nombre imaeinaire unitaire et no 1 - q (1 2/#)exp(2/#) Umax2 - Umin2 c 2 2 Si le premier terme de l'expression ci-dessus de G est négligé puisqu'il s'agit d'un élément de temps mort, la fonction de transmission q s'exprime par l'équation Si la bande de transmission R de la fibre optique est définie par une bande à 3dB dans 20 log10 |G(#)|, le produit de la bande de transmission 9c pour la fibre du type à revêtement et une distance de transmission z ( ce produit est désigné simplement ci-après comme produit Bz ) est donné par l'équation ci après Bez = #cA...(1) où 2.78 A #n0(1-q2) La figure 2A montre la corrélation entre A et 1-q, avec la condition que nO est égal à 1,. La figure 2P montre la corré- lation entre le paramètre#2 et le coefficient#en fonction du paramètre v de manière que la valeur #c corresponde à une va leur# qui correspond elle-même à #2 = 1. La description qui va suivre est concentrée sur l'analyse du produit Bz dela fibre optique du type à revêtement. Une fibre optique classique du type à revêtement est généralement réalisée de manière que la différence entre les indices de réfraction soit supérieure à 0,7 * pour les raisons mentionnées ci-dessus. Si une couche de revetement extérieur en polymère par exemple est fournée sur la fibre qui est ensuite introduite dans un câblage, différentes sortes de contraintes sont transmises à la fibre de sorte que ses caractéristiques de transmission deviennent instables en raison de l'effet photoélastique et des micro-flexions; Pour résoudre ce problème et stabiliser par consé- quent les caractéristiques de transmission de la fibre, il est de pratique courante de choisir la différence entre les indices de réfraction de manière qu'elle dépasse un certain niveau, par exemple la valeur de 0,7 % mentionnée ci-dessus. Par conséquent, si une valeur de l-q égale a 0,7 % et un diamètre d'âme de 50 microns sont choisis dans ce cas, v est de l'ordre de 30. Les résultats indioeies sur la figure 2A montrent que le produit Pz de la fibre optique du tyne a revêtement est cz 0 14(39z/km) car A = 12,7 19z/km et #c =1,1. our obtenir une spécification donnée dans le cas d'un système de télécomunications optiques, les facteurs ci-après doiveut être pris en considération. Le domaine d'application le plus importan des communica- tions optiques est la transmission des images. Même si un système analogique est utilisé à cet effet, une bande de 4 MHz est le toute facon nécessaire. iwans un dispositif ordinaire de télécomunications utilisant un laser semi-conducteur à GaA1As comme source lumineuse et une photodiode à avalanche au silicium comme détecteur de lumière, la puissance optique minimale acceptable P@ est donnée par l'équation ci-après : : ou e = charge de l'électron k = constante de Boltzmann w = amplification en intensité =température x = facteur excessif de bruit = résistance équivalente eq (S/N) = rapport signal-bruit requis amp= rapport de bruit de l'amplificateur = = largeur de bande du signal =sensibilité I1 est possible de citer le cas suivant comme un exemple typique, dans lequel : e = 1,6 x 10-9 (columb) k = 1,38 x 10 M2 = 5dB D = 300 k x = 0,5 Reg 0 1 K Ohams (S/N) = 60 dB amp = 5 dB B = 4 MHz B = 0,48 A/Watt ans ce cas, la puissance optique minimale acceptable Preq est -21 dBm. Par ailleurs, le niveau lumineux qui peut être appliqué dans le laser semi-coducteur à GaAlAs est de l'ordre de r dBm.Par conséquent, la marge de perte de la liFne de transmission est 21 dB. La perte de transmission du câble de fibres ontiques est de l'ordre de 4 dB/km a la longueur d'onde du laser semi-coducteur, soit 0,835 microns. Si un revêtement e nylon d'une épaisseur de 4CF microns environ est apliqué sur une fibre optique dont l'âme est en verre au phosphosilicate. avec une couche de verre de silice d'un diamètre de 50 microns. et une différence entre les indices de réfraction de l'ordre de 0,75 %, 4 fibres peuvent entre torsadées pour former une unité et 4 de ces unités sont câblées ; la perte de transmission du câble ainsi réalisé est 4 + 1 dB/km Dour = 0,835 microns snr une longueur de 1 km. Si l'on suppose qu'il n'eiste aucune perte aux épissures sur la distance entre les répéteurs, la distance peut atteindre 5,25 km. Il est donc nécessaire, pour appliquer un signal d'une bande de 4 MHz à la fibre optique. que le produit Bz soit. supérieur à 21 MHz.km. Mais, comme cela a été indiqué dans le paragraphe ci-dessus, la fibre optique classique du type à revêtement n'autorise qu'une bande d'environ 14 MHz.km. Il est donc de toute façon nécessaire d'angmenter la bande dans un rapport d'au moins 3/2. Au contraire, avec la fibre optique du type W selon l'inven- tion, le produit de la distance de transmission par la largeur de bande peut etre obtenu dune manière décrite ci-après. La figure 3A est une coupe de la fibre optique du type W dans laquelle l'âme, la couche intermédiaire et le revêtement sont designés respectivement par 3,4 et 5. Les indices de refraction de ces couches sont no, qn et pno, dans l'ordre avec q La figure 3B montre la distribution de l'indice de réfraction à l'intérieur de la fibre. La fibre du type W, de la configuration décrite ci-dessus, peut être considérée comme une fibre du type à revetement, re présentés sur la figure 1, perturbée par la couche extérieure 5. Autrement dit, l'accroissement de la constante de phase dû à l'addition de la couche extérieure 5 est extrêmement réduit, c'est à dire de l'ordre de 1O 9 dans le cas d'une fibre optique W ordinaire. Dans ce cas, la distribution du champ n'apporte à peine aucun changement, mais suivant les modes, #ss devient réel ( modes de propagation ) et complexe ( modes de fuite ). Autrement dit, parmi les modes de propagation dans la fibre optique du type à revêtement, ceux dont l'indice de mode est compris entre pnO et nO passent à-la propagation tandis que ceux dont l'indice de mode est cowpris entre qno et pnO passent au mode de fuite. La perte de transmission dans le mode de fuite Ct est donnée approximativement par l'équation ci-apres 3,47 x 1010 1 - q uw|w| exp(2##) (dB/km) 2 2 2 vX a p - q où u, w et#sont des valeurs propres dans la direction radiale respectivement de l'âme, de la couche intermédiaire et du revetement, et ss est une constante de propagation. L'unité de rayon de l'âme a est le micron. comme cela ressort de l'équation ci-dessus, la perte dans le mode de fuite peut être déterminée facilement Par l'épaisseur de la couche intermédiaire. Autrement dit, puisque la perte dans ce mode augmente quand l'ordre du mode de fuite devient plus élevé, l'effet de tous les modes de fuite sur la bande de transmission peut être négligé si la perte dans le mode de fuite de l'ordre le plus bas est déterminée préalablement de manière à dépasser une certaine valeur, par exemple 10 dB. La figure 4 montre la corrélation entre le paramètre de l'indice de réfraction, c'est à direz = (1-p)/(1-q), et l'épaisseur # de la couche intermédiaire lorsque la perte de transmission &alpha;L dans le mode de fuite d'ordre le plus bas est constante. Si une atténuation est suffisamment déterminée pour le mode de fuite, seul le mode de transmission peut être consi déré pour la fibre optique du type W. La valeur U(Umax) du mode de propagation de l'ordre le plus élevé de la fibre optique du type W peut être exprimée approximativement par l'équation ci-après : U = ## exp (1/v) max Etant donné que le mode de propagation d'ordre le plus bas est HE11, Umin est donée par l'équation Umin = U11 = 2.405 Si ces résultats sont transférés dans la formule (1) précitée, le produit Rz de la fibre optique du type W est donné par l'équa- tion ci-après Bzw = &gamma;wA Dans ce cas7 w est égal à &gamma; ; de la figure 2B. Par conséquent, le rapport d'expansion entre le type W et le type à revêtement est donné par l'équation ci-après La figure 5 illustre la corrélation entre # et #. Selon l'invention, cette valeur est rendue supérieure à 3/2.Mais, comme cela ressort clairement de la figure 5, est donné appro- ximativement par l'équation ci-après où v est suffisamment grand 1 = 1/#2 Pour obtenir ce résultat, il est évident que l'équation ci-après doit être établie = (1-p)/(1 - q) Dans ce cas, puisque p et q sont généralement très voisins de l'unité, la relation ci-après peut aussi être satisfaite pour obtenir ce résultat 2 Tl ressort des explications donnes ci-dessus qu'en etablis- sant le rapport de la différence entre le carré de l'indice de réfraction de l'âme et celui du revêtement et la différence entre le carré de l'indice de réfraction de l'âme et celui de la couche intermédiaire, supérieur à 3/2 dans la fibre optique du type , on obtient une fibre optique dont la bande est supérieure à celle d'une fibre optique du type à revetement dans un rapport de 3/2. en outre, si est réduit davantage, il est évident qu'il est possible d'ohtenir une bande encore olus lare. Pour adapter la fibre optique selon l'invention à une ligne cans une application Pratique, il est nécessaire de déterminer l'épaisseur # de la couche intermédiaire, son indice de réfraction q et l'indice de réfraction # du revêtement dans les limites du principe précité, en raison des contraintes extérieures et autres facteurs. Si une gaine est formée sur un fil de départ de fibre optique décrite ci-dessus, la perte de transmission présente en géné- ral une augmentation Si du nylon ordinaire est utilisé comme polymère, il est nécesaire que 1-q > 0,6% pour que l'augmentation de perte due à la Faine soit négligeable. Parmi i les procédés de réalisation de la couche intermédiare, il faut noter le procédé de dépôt de vapeur chimique, selon lequel deux types de couches minces, dont les indices de réfrac- tion correspondent de façon appropriée à ceux de la couche intermédiare et de l'âme, sont formées sur la paroi intérieure d'un tube de verre, qui correspond au revêtement. Selon ce procé- dé, un temps de réaction plus bng est nécessaire pour obtenir une couche intermédiaire d'une épaisseur sa, ce qui conduit à une diminution de rendement on production. Si l'épaisseur est inférieure à 0,5, la couche intermédiaire peut être formée préa- lablement en un temps plus court , pour obtenir pleisement les caractéristiques essentielles de la fibre optique du tppe Y. En fonction des durées, P205 ou Ge02 sont souvent utilisés pour régler l'indice de réfraction de l'âme de la fibre optique à la valeur voulue. Si la valeur 1-q précitée est diminuée dans ce cas, 'est à dire si l'importance du dépot est réduite, la distribution des indices de réfraction dans une direction radiale n'est pas unitorme, comme par exemple les anneaux annuels d'un arbre, ce dont il résulte des inconvénients. Ce problème peut être éliminé en faisant 1-p supérieur à 0,1 % (1-p > 0,1%) Un mode de réalisation de fibre optique du type w selon l'invention est décrit ci-après. Une fibre optique du type w, préparée selon un procédé de dépôt de vapeur chimique, comporte une âme de verre au phospho- silicate, une couche intermédiaire de verre au borosilicate et un revêtement de verre de silice. Le rayon de l'âme est 25 mi- irons ; l'épaisseur de la couche intermédiaire est N microns le rayon du revetement est 70 microns. L'indice de réfraction de l'âme est 1,46, et les différences d'indices de réfraction entre l'âme et la couche intermédiaire et entre l'âme et la revetement sont respectivement 0,66 * et 0,27 *. Une fibre optique du type à revêtement est préparé sépa rément, comprenant une âme de verre au phosphosilicate et an revêtement de verre de silice. Les rayons de l'âme et du revê- tement sont respectivement 25 microns et 70 microns et l'indice de réfraction de l'âme est de l'ordre de 1,46. La différence entre les indices de réfraction de âme et du revêtement est 0,68 %. Après qu'un revêtement de nylon d'une épaisseur de 400 microns a été appliqué sur chacune des fibres optiques ainsi réa- lisées, quatre longueurs de chacune de ces fibres .,t té torsadées de manière à former une unité, et quatre unité ont été câblées, sans épaisseur intermédiaire. Chacum des câbles ainsi réalisés a une longueur de 1 km et une perte de transmission de 4 # 1 dB/km. La bande de transmission de chacune de ces deux fibres optiques est mesuré au moyen d'un lasser à semi-conducteur, et le rapport des bandes de ces deux fibres est trouvé être égal à 2,5. Cette valeur correspond de très près aux résultats des calculs analytiques ci-dessus. Comme cela ressort de la description faite ci-dessus,l'in- vention concerne une fibre optique à large bande, dont la bande de transmission est plus large, dans un rapport de 3/2, que celle d une fibre optique du type à revêtement, et qui convient done pour la transmission des images. REVENDICATIONS I - Fibre optique à trois couches comprenant une première couche centrale diélectrique et transparente d'indice de réfraction nO plus élevé, une seconde couche intermédiaire diélectrique et transparente d'indice de réfraction qn0 plus bas, et une troisième couche de revêtement diélectrique et transparent d'un indice de réfraction pnO intermédiaire, fibre optique caractérisée en ce que ledit indice de réfraction nO plus élevé, ledit indice de réfraction pno plus bas et ledit indice de réfraction qn0 intermédiaire sont choisis de manière à satisfaire la relation ci-apres (1-p2 > /(1 - q2 ) 3,47 x 1010 1 - q u#|w| exp(-2##) ssa p - q (u - #) est choisie de manière à dépasser 10dB/km, où u, # et w sont res- pectivement les valeurs propres de ladite couche centrale, de ladite couche intermédiaire et dudit revêtement, et est une constante de propagation. 2 - Fibre optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les indices de réfraction de ladite première couche centrale diélectrique et transparente et de ladite seconde couche intermédiaire diélectrique et transparente satisfont la relation suivante 1 - q - 0,006. 3 - Fibre optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que lsépaisseur de ladite seconde couche intermédiaire diélectrique et transparente satisfait la relation suivante 4 - Fibre optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite première couche centrale diélectrique et transparente contient l'un au moins de P2O5 et GeO2, les indices de réfraction de ladite première couche centrale diélectrique et transparente et de ladite troisième couche de revêtement diélectrique transparent satisfont la relation suivante 1 - p > 0,001.