Brevet FR2328975A1 — publié le 19770520

La présente invention-concerne une fibre optique etplus particulièrement des améliorations d'une fibre optique qu'on utilise dans un système de communication optique et qui ne transmet que des modes de transmission déterminée et qui est constituée de trois éléments superposés, savoir : une âme, une couche intermédiaire et une couche de revêtement Les progrès de la théorie de la transmission et des techniques de - fabrication des fibres -optiquesont rendu~-possible l'obtention de fibres optiques dont les pertes de transmission-des ondes optiques dans la région des longueurs d'ondes visibles et de l'infrarouge proche, sont de plusieurs décibels par kilomètre. Lorsqu'on utilise de telles fibres optiques dans une ligne de transmission on peut accroitre la distance entre les répéteurs par rapport à un système classique à c ble coaxial. Cependant l'accroissement de la distance entre les répéteurs pose le problême de la largeur de bande de transmission de la fibre. Comme les fibres multimodes ordinaires comportent un nombre important de modes de propagation, la largeur de bande de transmission est limitée uniquement par une distorsion d'onde due à la différence des vitesses de groupe des modes respectifs et elle se rétrécit lorsque la longueur de transmission s'accroît, s'accroit. Par conséquent dans le cas de la transmission de signaux optiques ayant une certaine largeur de bande, on doit accroître la largeur de bande de transmission de la fibre optique lorsqu'on accroit la longueur de transmission. On connatt un moyen efficace pour résoudre ce problème qui est la fibre à âme graduelle. Dans une telle fibre, l'indice de réfraction dans la direction radiale de la fibre diminue de façon continue du centre vers la périphérie. Théoriquement la fibre optique à ame graduelle permet de rendre pratiquement égaux les temps de propagation de groupe des modes de propagation. Cependant en réalité le rayon de la fibre optique est limité et une distribution parabolique continue des indices de réfraction est coupée à la pdriphérie de la fibre. Par conséquent les modes de propagation d'ordre supérieur voisins de la coupure présentent un temps de propagation de groupe inférieur à celui des autres modes. Ceci constitue un facteur de limitation de -la largeur de bande. Par conséquent pour conserver la largeur de bande importante de la fibre optique à ame graduelle, il est nécessaire d'éliminer les modes de propagation voisins de la coupure. On connait comme fibre optique satisfaisant à cette exigence, une fibre constituée d'une âme centrale présentant une distribution parabolique des indices de réfraction, cette me étant entourée d'une couche de revêtement ayant un indice de réfraction supérieur à l'indice de réfraction le plus faible de l'amie et inférieur à l'indice de réfraction le plus fort au centre de l'amie ou une fibre comportant une couche intermédiaire ayant un indice de réfraction égal à l'indice de réfraction le plus faible, disposée entre l'ame et la couche de revêtement (brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 785 718). Avec la fibre optique à âme graduelle améliorée, il est nécessaire d'assurer une perte suffisante des modes d'ordre supérieur, car il est nécessaire de rendre négligeable l'effet sur la largeur de bande de transmission des modes d'ordre supérieur dont les temps de propagation de groupe sont inférieurs à ceux des autres modes. De façon concrète, la structure à trois couches précédems ment indiquée provoque une fuite des modes inutiles. La perte des modes inutiles est déterminée par les indices de réfraction et l'épaisseur des couches constituant la fibre optique. En pratique il est souhaitable de rendre constants 11 indice de réfraction de chaque couche et le rayon de l'ame et de n'agir que sur l'épaisseur de la couche intermédiaire. En général lorsque l'épaisseur de la couche intermédiaire est importante, les pertes des modes à fuite deviennent faibles et lorsque l'épaisseur est faible, les pertes deviennent importantes. Pour régler ainsi à la demande la perte des modes à fuite, il est nécessaire de pouvoir modifier librement l'épaisseur de la couche intermédiaire de la structure. L'un des inconvénients de la fibre optique de l'art antérieur est que, dès que la distribution des indices de réfraction de l'amie a été déterminée, la conception de la couche intermédiaire manque de souplesse. La présente invention a pour objets - une fibre optique convenant aux communications optiques; - une fibre optique dont la longueur de transmission efficace et la largeur de bande de transmission sont importantes; - une fibre optique permettant de provoquer la fuite des modes d'ordre supérieur inutiles et d'en provoquer une perte librement choisie; et - une fibre optique donnant à la perte de transmission du mode à fuite de l'ordre le plus bas par rapport à la longueur de transmission, une valeur de 10 dB ou plus. La fibre optique de l'invention a une structure concentrique à trois couches et est constituée d'une me présentant une distribution parabolique des indices de réfraction, une couche ;n- termédiaire ayant un indice de réfraction constant et une couche de recouvrement ayant également un indice de réfraction constant et elle est caractérisée en ce que l'indice de réfraction co ll me à la frontière avec la couche intermédiaire est Dra'ique- ment égal à celui de la couche de recouvrement et en ce que lté- paisseur de la couche intermédiaire dans la direction radiale est égale à 0,1 à 1 fois le rayon de l' me. Avec la fibre optique réalisée comme précédesser.t indiqué, l'atténuation des modes à fuite inutiles dont les indices de mode sont compris entre l'indice de réfraction de la couche de recouvrement et celui de la couche intermédiaire, s'accrolt lorsque l'épaisseur de la couche intermédiaire diminue et l'atténuation des modes à fuite s'accrolt lorsque l'ordre de mode s'accroît, si bien qu'on peut rendre négligeable l'effet des modes à fuite sur la largeur de bande en réglant l'atténuation du mode à fuite de l'ordre le plus bas au-dessus d'une valeur déterminée à 11 avance correspondant à une longueur de transmission. On peut donc régler librement l'atténuation des modes à fuite inutiles en modifiant l'épaisseur de la couche intermédiaIre. Un autre avantage de la fibre optique de l'invention est que l'on peut donner à l'me un diamètre relativement important. En général dans une fibre optique, pour réaliser une atténua tiob suffisante des modes à fuite non nécessaires et donner une valeur élevée à la stabilité de la caractéristique de transmission vis-à-vis des contraintes extérieures dues à la flexion, etc., il est nécessaire de faire la différence entre les indices de réfraction de l'aine et de la couche intermédiaire et de faire que l'épaisseur de la couche intermédiaire soit faible. Un procédé de fabrication établissant une différence importante entre les indices de réfraction de l'ame et d'une couche de recouvrement n'est pas souhaitable en ce qui concerne l'élargissement de la bande de transmission, car la distribution des indices de réfraction de l'amie doit entre déterminée de façon stricte. Avec la fibre optique selon l'invention on peut résoudre ee problème en agissant sur l'épaisseur de la couche intermédiaire. De plus, avec la fibre optique de l'invention, une distribution continue des indices de réfraction dans une gamme étendue est inutile. Ceci constitue un avantage en ce qui concerne la fabrication de la fibre optique. En général pour régler la distribution des indices de réfraction on utilise un procédé dans lequel on dope une matière vitreuse, par exemple du SiO2, avecun oxyde tel que GeO2, TiO2, P205, B203 et A1203, en faisant varier l'importance du dopage dans la direction radiale~--Avec une- fibre optiqueXde l'art antérieur, il est nécessaire, pour obtenir un gradient important de la distribu tion des indices~de réfraction, que le gradient ~de concentration du dopant soit importants Lorsque le gradient de concentration du dopant est important, il s'effectue souvent une diffusion du dopant dans les traitements thermiques utilisés pour la fabrication de l'ébauche, l'étirage de la fibre, etc., si bien que la régulation de la distribution des indices de réfraction devient compliquée. D'autre part -lorsque--la variation de--l'indice--de réfrac- tion dans l'âme peut entre faible, comme c'est le cas de l'invention, le gradient de concentration du dopant peut également-être faible.Donc la diffusion gênante précédemment indiquée a peu tendance à se produire D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente une coupe de la fibre optique selon l'invention et de la distribution des indices de réfraction dans la direction radiale; - la figure 2 représente une coupe d'une fibre optique ayant un indice de réfraction graduel comme dans le cas de l'invention et la distribution des indices de réfraction, cette figure servant à l'analyse de l'invention; - les figures 3A, 3B et 3C sont des diagrammes caractéristiques montrant la relation entre le rapport S de l'épaisseur d'une couche intermédiaire et du rayon d'une me et les pertes de transmission &alpha;L du mode à fuite de l'ordre le plus bas;; - les figures 4A, 4B et 4C sont des diagrammes caractéristiques montrant les relations entre un paramètre t de l'indice de réfraction permettant d'obtenir une certaine perte de transmission aL et le rapport 5; et - la figure 5 montre le résultat de la mesure de la distribution radiale des indices de réfraction d'un exemple de fibre optique selon l'invention. Le principe de l'invention va être expliqué en regard de la figure 1. Dans la structure d'une fibre optique comme illustré par la figure 1, nO est l'indice de réfraction au centre d'une aine 1, (où est une valeur positive très faible), l'indice de réfraction à la périphérie de l' me et b,n et (où les indices de réfraction d'une couche intermédiaire 3 et d'une couche de recouvrement 2. Le rayon de l'aine et l'épaisseur de la couche intermédiaire sont respectivement dési gnés par a et 5 a. On suppose que l'indice de réfraction n(r) à un rayon r dans l' me diminue de façon uniforme en fonction de r. Considérons par exemple l'équation suivante Dans ce cas on voit que la largeur de la bande de transmission devient maximale lorsque l'exposant4 est égal à 2-2 E . Comme 4 a une valeur très faible inférieure à environ 10 2, on peut considérer que 4 = 2 dans la description qui suit.Par conséquent on suppose que n(r) est donné par l'équation suivante On obtient alors une fibre optique dans laquelle l'indice du mode prend une valeur intermédiaire entre les indices de réfraction de la couche intermédiaire et de la couche de revetement dans la fibre optique illustrée par la figure 1, c'est-à-dire qui présente une distribution graduelle de l'indice de réfraction comme dans la figure 2 équivalente en ce qui concerne la structure du mode à fuite. Pour cela on définit la fréquence normalisée V de l'aine de la façon suivante : k : nombre d'onde optique dans le vide, n ( oe) : indice de réfraction dans le revêtement. La signification physique de la fréquence normalisée V est le nombre de modes des fibres générales dans lesquelles l'indice de réfraction de la couche intermédiaire est devenu égal à l'indice de réfraction du revêtement. Dans le cas de l'équation (1) la quantité V devient (% :: rapport du périmètre d'un cercle à son diamètre) ....... (3) Appelons respectivement n et a l'indice de réfraction et le rayon de l'aine de la fibre illustrée par la figure 2, b.nO et l'indice de réfraction et l'épaisseur de la couche intermédiaire et l'indice-de réfraction du revetemrnt. La quantité V devient Si l'on égalise les équations (3)1et (4), n n = 81 - 2 (1 ~ s6 ) nO l6 devient (5) Comme l'indice de réfraction de la couche intermédiaire est uniforme, la fibre de la figure 2 déterminée par l'équation (5) et la fibre de la figure 1 peuvent être considérées comme équivalentes en ce qui concerne les modes à fuite dont les indices de mode existent dans une gamme de La caractéristique de perte des modes à fuite va tre expliquée en regard de la fibre illustrée par la figure 2. En général les pertes des modes à fuite sont plus importantes lorsque l'ordre est élevé et plus faibles lorsque l'ordre est plus bas. Ceci correspond à la grandeur des champs évanescents des modes. Pour éliminer l'effet des modes à fuite inutiles sur la largeur de bande, on peut par conséquent régler la valeur de la perte du mode à fuite de l'ordre le plus bas au-dessus d'une valeur déterminée à l'avance. La perte moyenne du mode à fuite de l'ordre le plus bas va être évaluée en supposant que le nombre des modes à fuite est important.Pour simplifier on désigne respectivement les indices de réfraction de l'ame de la couche intermédiaire et du revêtement par n, q.n et p.n, où La fréquence normalisée v correspond à l'équivalence Si l'on appelle j u (j : unité imaginaire) la constante de propagation normalisée dans la direction radiale de l'âme et U une valeur asymptotique, on obtient approximativement u = U exp(-lSv) (9)-- U est -ici une constante-dépendant du mode. Dans le cas du mode -HEnm, est7dânnéè par le mième pointzéro de la fonction de Bessel Jn l(x). Si w et w représentent les constantes de propagation normalisée respectivement dans la couche intermédiaire et dans la couche de revêtement,- on-peut--écrire les relations suivantes entre elles et u et f 2 = (1 - p2)/(l - g2) (11) Comme la condition de coupure de la fibre est donnée par w = 0, la valeur UO du mode qui est juste coupé, obtenue à partir des équations (9) et (10) est la suivante u0 = # v exp(1/v) (12) Le mode à fuite de l'ordre le plus bas est le mode dont l'ordre n'est supérieur que de 1 au mode de coupure. Par conséquent on obtient la valeur UL du mode à fuite de l'ordre le plus bas en ajoutant un intervalle de mode #U à Uo dans l'équation (12). Dans la fibre illustrée par la figure 2, les modes EH, TE et TM peuvent exister en plus du mode HE. Cependant comme tous ces modes dégénèrent en le mode HE, il suffit d'envisager le mode HE. Le nombre N des modes HE, compris les modes à fuite est donné par l'équation : N = v2/8 (13) Donc l'intervalle de mode # U du mode juste coupé devient où U11 est la valeur de U correspondant au mode HEll et U11=2,405. Fonalemegt, les équations (12) et (14) donnent la valeur UL du mode à fuite de l'ordre le plus bas qui est UL = Uo + #U = # v exp-(1/v) + 4 (v2 - U11 2)..... (15) # v U exp(1/v) Connaissant la valeur de U on détermine les diverses constantes de propagation à partir des équations (9), (10) et (11). On sait que la perte a du mode à fuite est donnée par l'équation où est déterminé à partir de = k2.n2 2 u2/a2 (17) et a est exprimé en microns. Donc le rapport S de l'épaisseur de la couche intermédiaire pour laquelle la perte du mode à fuite de l'ordre le plus bas de- vient aL (dB/km) est exprimé par l'équation suivante O = B + C A Les figures 3A, 3B et 3C illustrent les relations d'aL et du rapport S de l'épaisseur de la couche intermédiaire. Les figures permettent d'évaluer s lorsqu'on donne à &alpha;L une valeur déterminée et qu'on connait la fréquence normalisée v et le paramètre de l'indice de réfraction # 2 En général, il est souhaitable que la perte des modes à fuite dans la distance entre les répéteurs soit de 10 dB ou plus pour qu'on puisse négliger l'effet des modes à fuite sur la largeur de bande. Les figures 4A, 4B et 4C illustrent les relations d' 2 et de S à aL = 10 dB/km, le paramètre étant f. Comme le montrent les figures, dans une gamme pratique où v a une valeur de 20 à 40 et où le paramètre t2 de le indice de réfraction est inférieur à environ 0,-7, le rapport d'épaisseur de-la couche intermédiaire i doit être compris dans une gamme de 0,1 à 1. Comme précédemment indiqué, selon l'invention on réalise une perte suffisante des modes à fuite inutiles et on peut obtenir une fibre optique à aine graduelle à large bande présentant des caractéristiques stables et comportant une couche intermédiaire ayant un faible indice de réfraction. Les exemples non limitatifs suivants illustrent l'invention en détails. Exemple 1 On fait s'écouler à l'intérieur d'un tube de quartz naturel ayant un diamètre intérieur de 12 mm et un diamètre extérieur de 14 mm, tournant à 50 tr/mn, un mélange gazeux constitué de tétrachlorure de silicium Sil4, d'oxygène 02 et de bromure de bore BBr3 On fait aller et venir sur la longueur du tube de quartz à la vitesse de 2,5 mètres/seconde, un dispositif de chauffage local. On dépose ainsi sur la paroi du tube un film uniforme de dioxyde de silicium SiO2 renfermant du trioxyde de bore B203. On remplace ensuite le bromure de bore gazeux par de l'oxychlorure de phosphore POC13 dont on augmente la concentration pratiquement proportionnellement à la racine carrée de la durée de réaction. On dépose ainsi un film de dioxyde de silicium (sio2) présentant un gradient de concentration du pentoxyde de phosphore P205 dans la direction de l'épaisseur du film. Ensuite, on chauffe le tube résultant pour le contracter selon son axe puis on l'étire sous forme d'une fibre optique. On mesure la distribution des indices de réfraction d'une section de la fibre. Le résultat des mesures est illustré par la figure 5. La distribution des indices de réfraction dans l' me est représentée par l'équation n(r) = nO (1 - Arc') 6 où o' = 2,1, A = 3,5 x 10 6 et nO = 1,46. Dans cette équation, r indique la distance (en microns) par rapport au centre de la fibre. Le diamètre de l'aine de la fibre est de 50 microns et l'épaisseur de la couche intermédiaire est de 3 microns, le diamètre total de la fibre étant de 130 microns. On donne à la couche intermédiaire une épaisseur de 3 microns pour réaliser une atténuation suffisante des modes A fuite. On mesure la largeur de bande de transmission de la fibre cidessus avec un laser à semi-conducteur à arséniure de gallium à la longueur d'onde de 0,835 micron sur 8 échantillons présentant les memes caractéristiques. Les valeurs sont comprises entre 290 et 720 MHz.km avec une moyenne de 470 MEiz.km. La longueur de transmission est de 0,33 à 1,22 km et en moyenne de 0,71 km. Exemple 2 On reprend le procédé de l'exemple 1 pour déposer un film de SiO2 renfermant environ 2,25 moles sc de B203 sur la surface de la paroi intérieure du tube de quartz, puis on dépose un film de SiO2 renfermant du P205. On fait varier en continu la molarité du P205 en direction du centre entre 0 % et environ 15 ,'. On chauffe le tube composite ainsi obtenu pour le contracter selon son axe. Le tube obtenu constitue une ébauche qu'on chauffe et qu'on étire. On obtient ainsi une fibre présentant la distribution des indices de réfraction illustrée par la figure 1. La figure 5 illustre la distribution des indices de réfraction d'une section d'une fibre d'un autre exemple, cette distribution ayant été mesurée par la méthode de réflexion. Dans ce cas le diamètre de l'aine est de 50/um et l'épaisseur de la couche intermédiaire de 5 m. # = 3 x 10- et 1 - b = 6 x 10- pour une longueur d'onde de 0,63 Aum. L'exposant 4 de la distribution des indices de réfraction dans l'aine est de 1,8 à 2,4. On mesure avec un laser à semi-conducteur à arséniure de gallium la largeur de bande de transmission pour une longueur de fibre de 1 120 mètres. La valeur obtenue est de 700 tEz. De plus, lorsqu'on mesure la caractéristique de distance de l'intensité de la lumière diffuse par la fibre selon la méthode de la sphère à intégration, on obtient une caractéristique d'atténuation exponentielle pratiquement parfaite. Les résultats ci-dessus montrent que les modes à fuite présentent une perte suffisamment importante. Comme précédemment expliqué, selon l'invention, on réalise une perte suffisamment importante des modes d'ordre supérieur inutiles qui provoquent une distorsion du temps de propagation de groupe, si bien qu'on obtient une fibre optique dont la largeur de bande n'est pas altérée. Ceci est très utile. REVENDICATIONS 1 - Fibre optique caractérisée en ce qu'elle est composée dtune couche de revêtement constituée d'un diélectrique ayant un indice de réfraction uniforme, d'une couche intermédiaire constituée d'un diélectrique ayant un indice de réfraction uniforme inférieur à l'indice de réfraction de la couche de revêtement et d'une âme ayant un indice de réfraction variant de façon continue dans la direction radiale dételle sorte que~l'-indice de réfraction dans sa portion centrale puisse être supérieur aux indices de réfraction de la couche de revêtement et de la couche intermédiaire et que l'indice de réfraction dans sa partie périphérique puisse être pratiquement égal à l'indice de réfraction de la couche de revêtement. 2 - Fibre optique selon la revendication I, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche intermédiaire est comprise dans la gamme de 0,1 à 1 fois le rayon de l'aine