Brevet FR2323646A1 — publié le 19770408

La présente invention oncerne , d'une façon générale un procédé pour assembler bout à bout des fibres optiques et, en particulier un procédé pour raccorder ou souder bout à bout à Laide d'un laser à C02 des fibres de silice fondue ayant une température de ramollissement relativement élevée, Oes dernières années, les études sur les fibres optiques ont progressé de façon rapide et remarquable au point que l'on peut fabriquer des fibres optiques présentant une faible perte, de l'ordre de quelques dJ3. Les systèmes de communication utilisant les fibres optiques sont entrés dans une phase d'application pratique. Dans ces conditions, la technique permettant de raccorder les fibres optiques pose des problèmes qui attirent de plus en plus l'attention des techniciens en la matière.La technique de raccordement de fibres optiques peut, d'une façon générale entre divisée en deux types de procédés dont l'un consiste à former un joint séparable, donc temporaire, tandis que l'autre consiste-à former un joint non séparable, donc permanent. Dans le cas de ce dernier procédé, on aligne les fibres optiques à raccorder de manière que leurs faces d'extrémité portant l'une contre l'autre en utilisant un manchon ou autre moyen analogue. Dans une variante, on raccorde les fibres optiques par fusion ou collage au moyen d'un agent adhésif approprié.Le procédé consistant à raccorder par fusion des fibres optiques présente l'avantage que la perte par réflexion à l'endroit du joint formé peut entre réduite par rapport à celle qui a lieu lorsque l'on utilise le procédé d'aboutement direct, ce procédé de raccordement par fusion présentant en outre l'avantage sur le procédé de collage que l'on peut obtenir un joint ayant une résistance mécanique supérieure. Pour ces raisons, le procédé de raccordement par fusion est considéré comme étant l'un des moyens les plu8 efficaces pour former un joint permanent entre des fibres optiques. Dans la première tentative de raccordement des fibres optiques au moyen du procédé de raccordement par fusion mis au point par D.L. Bisée , on obtenait le joint par fusion entre des fibres optiques ayant une température ou point de ra- mollissement relativement faible (environ 6300C) au moyen d'un fil en nichrome.Toutefois, on ne peut - as appliquer ce procédé au raccordement ou jonction de fibres en silice fondue ou en quartz fondu qui ont un point de ramollissement élevé et que l'on utilise maintenant dans la plupart des applications pratiques- C'est pourquoi la présente invention a pour objet un procédé de raccordement de fibres optiques qui ne présente pas les inconvénients des techniques connues jusqu+à présent et décrites ci-dessus et qui permet de raccorder des fibres optiques en silice fondue, c'est-à-dire les fibres optiques utilisées les plus communément, avec un minimum de perte au joint et avec une résistance mécanique élevée sensiblement aussi grande que celle de la fibre optique elle-même. La présente invention a encore pour objet un procédé de raccordement de fibres optiques par fusion dans lequel on peut efficacement éviter le dépôt d'impuretés pendant la Su- sion et qui permet un réglage aisé de la quantité de chaleur utilisée dans la fusion0 La présente invention a aussi pour objet un procédé de raccordement de fibres optiques qui est caractérisé par une reproductibilité meilleure et une faible perte au joints Les objets, caractéristiques et avantages ci-dessus ainsi que d'autres objets caractéristiques et avantages de la présente invention apparattront au cours de la description de modes de réalisation préférés donnée ci-après en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 montre un modèle de conduction thermique unidimensionnel pour évaluer la puissance du laser nécessaire pour former par fusion le joint des fibres optiques ; la figure 2 est un graphique illustrant la relation entre la puissance ou énergie du laser par unité de surface et la durée d'éclairement du laser nécessaire pour la fusion les figures 3a et 3b illustrent la relation de condition entre les fibres optiques à raccorder et le laser ;; la figure 4 montre schématiquement, à titre d'exemple X un mode de réalisation d'un procédé de raccordement de fibres optiques par fusion au moyen d'un laser à C0; la figure 5 est une vue agrandie d'une partie d'un joint de fibres optique ; les figures 6a et 6b montrent schématiquement, à titre d'exemple , l'agencement d'un appareil de raccordement de fibres optiques t les figures 7a et 7b montrent un agencement dans lequel les parties des fibres optiques à raccorder sont irradiées par un faisceau laser sur la totalité de leurs surfaces périphériques ; la figure 8 montre un coupleur utilisé pour diviser une onde et réalisé par le raccordement de plusieurs fibres optiques par fusion ; et les figures 9a à 9c montrent d'autres agencements de coupleurs diviseurs d'ondes constitués par des fibres optiques raccordées. Comme décrit précédemment, la présente invention réside dans un procédé de raccordement de fibres optiques par fusion à l'aide d'un laser à C02, un avantage d'un tel procédé étant que l'on peut facilement régler la quantité de chaleur nécessaire pour former le joint entre les fibres de silice ou de quartz fondu d'un type à mode simple ou multiple présentant une température de ramollissement élevée et que l'on peut efficacement empêcher les impuretés de se déposer sur la partie formant le joint.Avant d'entrer dans les détails de la présente invention, on va d'abord décrire le principe du precédé de raccordement des fibres optiques par fusion à l'aide d'un laser à C02 L'évaluation de l'énergie devant eAtre nécessairement fournie par le laser pour raccorder les fibres par fusion peut entre effectuée en se basant sur le modèle de conduction thermique unidimensionnel représenté sur la figure I dans laquelle la référence Il représente une fibre optique. Comme la fibre optique ll a un faible diamètre, la supposition que le flux thermique QO (cal/sec.cm2) est engendré de façon uniforme sur la totalité de la face drextré mité de la fibre par irradiation d'une partie de cette face au moyen d'lul faisceau laser est grosso-modo valable. L quation relative à la conduction thermique pour la température (ao) où Cp(cal/g C) représente la chaleur spécifique de la fibre optique )O(g/cm2) la densité , (cal/sec.cm.oC) la conductivité thermique , h (cal/sec7cm2 C) le coefficient de transfert de chaleur et d (cm) le diamètre de la fibre. Dans l'équation ci-dessus, a = X/ Cp représente le coefficient de diffusion thermique, et t représente le temps de chauffage du laser. La lettre X représente la dis- tance longitudinale de la fibre à partir de sa face d'extrémité. En supposant qu'une impulsion de chaleur de pCp calo ries/cm2 est engendrée au moment t = O et que + (X représente une distance choisie arbitraitement) , la solution de l'équation (1) peut être déterminée comme une fonction Green c'est-à-dire : A ce sujet , on a supposé que la température ambiante de la fibre reste à OQC, que la température de la fibre est initia lement de 0 C et que h est égal à O à X O .Etant donné que le flux thermique Q( # ) = Q0 est engendré à t = # et que x = O, l'équation (2) peut être décrite sous la nouvelle forme suivante : Par conséquent, la solution de l'équation (1) est s les facteurs devant être déterminés dans ces circonstances sont la puissance du laser et le temps de chauffage du laser nécessaires pour que la face d'extrémité de la fibre atteigne la température de ramollissement Us.En remplaçant T par Ts et en faisant X = O, l'équation- (4) peut être écrite sous la forme suivante s où e # f (Z) représente la fonction erreur c'est-à-dire que La figure 2 illustre graphiquement l'équation (5) ap- pliquée à la fibre de silice fondue pour laquelle Cp = 025 cal/g0C, p - 2*2 g/cm3, #3,5 x 10 3 cal/sec.cm C t h = 1 x 10-2 cal/secOcm2* C , Ts 3 20000C et d r 1,5 x10-2 . Comme la fibre de silice ou de quartz fondu absorbe les radiations infrarouges de 10,6 m suivant un pourcentage voisin de 100 %, Q0 représente également l'énergie que doit fournir le laser pour raccorder par fusion les fibres. On peut voir, d'après la figure 2 > que l'énergie pour unité de superficie (densité d'énergie laser) devant entre fournie par le laser pour raccorder les fibres optiques par fusion est d'au moins d'environ 810 Watt/cm2 . Pour atteindre une telle densité d'énergie laser, il est nécessaire de focaliser le faisceau laser en utilisant une lentille. Comme le diamètre de la fibre optique est habituellement de l'ordre de 100 m à 300 m, un faisceau laser focalisé en dessous de cette gamme de dimension serait inefficace.En d'autres termes, un faisceau laser d'un diamètre de l'ordre de 400 Zm est suffisant pour raccorder par fusion des fibres de n'importe quel diamètre. D'énergie laser nécessaire est alors : P # #x (2 x 10-2)2 x 810 # 1,0 watt En d'autres termes, toutes les fibres de silice-fondue que l'on trouve actuellement peuvent être raccordées par fusion si on utilise un laser ayant une puissance de sortie d'environ 2 Watts Dans un essai , on a aligné à l'aide d'un microscope ayant un pouvoir de grossissement de 50 (voir figure 3) les unes à la suite des autres des fibres en silice ou en quartz fondu au voisinage du point focal d'une lentille pour focaliser le faisceau laser.Dans la région focale oU l'énergie de la radiation de laser contribue effectivement au chauffage de la fibre optique, le faisceau laser avait un diamètre d'environ 290 m . Quand on irradiait les parties terminales aboutées des fibres optiques pendant une à cinq secondes avec un laser à C02 ayant une puissance de sortie de 0,5 à 0,8 watt on pouvait raccorder par fusion les fibres optiques en obtenant un joint de très bonne qualité. les résultats de cet essai cosncidaient bien avec les estimations illustrées par le graphique 2, lequel montre qu'il faut une énergie laser de 0,53 watt , pour chauffer à 20000C avec une durée d'irradiation de 1 à 3 secondes les régions couvrant une longueur de 144 m depuis l'extrémité des fibres optiques respectives. La perte au joint ainsi formée est inférieure à 0,5 dB . La distance entre les faces d'extrémité des fibres optiques alignées est déterminée en fonction de la dilatation thermique linéaire des fibres optiques utilisées Le coefficient de dilatation thermique linéaire des fibres de silice fondue est d'environ 6 x 1O70C1 . Par conséquent, quand un tronçon de fibre de silice fondue est chauffé jusqu'à environ 20000C sur une longueur d'environ 300 Am, la fibre subit une dilatation de 0,36 m (= 300 m x 6 x 10-7 x 2000 C) . Quand deux tronçons de fibres sont raccordés, la dilatation linéaire totale atteint environ 0 > ?2 Am .On peut donc comprendre que la distance entre les extrémités des fibres de silice fondue , alignées de façon opposée. l'une à l'autre, doit etre choisie de manière à être inférieure à environ 1 Am Au cours d'essais, on s'est aperçu que les fibres de silice fondue ayant des faces d'extrémité coupées de façon nette pouvait être raccordées par fusion en donnant un joint de bonne qualité méme lorsque les faces d'extrémité étaient placées en contact l'une de l'autre. Toutefois, lorsque les fibres n'avaient pas des faces d'extrémité coupées de façon nette, il était nécessaire de placer les faces d'extrémité en contact l'une avec l'autre et de les presser l'une contre l'autre pendant l'irradiation avec un laser à C02 Comme on le comprendra d'après la description qui précède et conformément à la présente invention, pour raccorder deux fibres optiques, on aligne ces fibres à l'aide du micromanipulateur ou organe de guidage qui sera décrit par la suite de manière que les faces terminales en regard des fibres optiques puissti8tre disposées au voisinage d'un système de lentilles destiné à la focalisation dtun faisceau laser n c'est-à-dire dans la région du faisceau laser focalisée .La distance entre les faces terminales en regard des fibres optiques alignées est choisie de manière telle que ces faces terminales viennent en contact l'une avec autre par suite de la dilatation thermique lorsqu'elles sont irradiées avec le faisceau laser. On utilise un laser qui est capable de produire une énergie lumineuse d'une longueur d'onde absorbée par la fibre de silice fondue, cela avec une puissance de sortie relativement faible de l'ordre de 1 à 2 Watts , comme c'est le cas d'un laser à C02 , pour raccorder par fusion les parties terminales opposées des fibres optiques en irradiant au moyen d'un système optique lesdites fibres le long d'une partie de leurs surfaces périphériques ou autour de la totalité de leurs surfaces périphériques.L'irradiation est efeffectuée à l'aide du faisceau laser focalisé avec ou sans divergence appropriée pendant un temps que lion détermine à partir de l'analyse théorique décrite précédemment. On va maintenant décrire en se référant à la figure 4 un exemple d'application de l'invention. Sur la figure 4 la référence 1 désigne un laser à C02 qui produit un faisceau laser 2 focalisé au moyen d'une lentille 3. La référence 4 désigne un microscope d'observation, les références 5 et 6 désignent des chariots permettant d'obtenir un déplacement fin suivant les axes de coordonnées X-Y-Z (chariot que l'on désignera par la suite par le terme de microm tnipulateur) , les références 7 et 8 désignent des fibres optiques devant être raccordées par fusion, la référence 9 une photodiode et la référence 10 un wattmètre. Quand le dispositif représenté sur la figure 4 fonctionne, le faisceau laser 2 émis par le laser à C02 est focalisé par la lentille 3, de préférence une lentille au germanium CGe). Les fibres optiques 7 et 8 sont alignées au voisinage du point focal de la lentille 3 (lentille au Ge ou au ZnSe) au moyen des micro-manipulateurs 5 et 6 (mouvement suivant les abscisses X-Y-Z) pendant que l'on observe les iibres à 11 aide du microscope 4 de manière que les extrémités en regard des fi bres alignées puissent être irradiées par le faisceau laser focalisé pour entre raccordées l'une à l'autre par fusion. Il est possible de régler la puissance de sortie du laser à C02 à l'aide de la photodiode 9 et du wattmètre 10. Le laser 1 à CO2 est capable de fournir une onde continue en mode EM oo avec une puissance de sortie maximale de 20 W que l'on peut faire varier d'une façon continue dans la plage de 0 > 3 W à 50 W . La lentille 3 est une lentille au ZnSe ayant une distance focale de 12,5 cm. La position du point de convergence ou de pincement du faisceau ainsi que son rayon doivent être mesurés et déterminés à la- de d'une technique dite à "fil de couteau11. La position dt point de convergence ou de pincement du faisceau peut être choisie à 11,8 cm à partir de la lentille 3 tandis que le rayon du faisceau peut être fixé à 144 m .En se basant sur les estimations illustrées sur la figure 2, la densité d'énergie laser nécessaire pour la fusion en combinaison avec le temps dl irradiation supérieur à une seconde est d'environ 810 W/cm2 . Par conséquent, quand les fibres optiques se trouvent à llendroit du point de convergence ou de pincement du faisceau, l'énergie laser P nécessaire pour la fusion doit Autre d'au moins d'environ 0,5 W d'après la formule suivante P # 810 W/cm x # x (1,44 x 10~2cm)2 Dans un exemple d'application, les fibres optiques ont été disposées dans la partie située au point de convergence ou pincement du faisceau laser et irradiées avec une énergie laser de 0,5 à 1,0 W pendant 1 à 5 secondes, le joint obtenu étant de bonne qualité. On a constaté qu'une puissance laser de 05 à 0,8 watt convenait pour former par fusion un joint présentant une configuration améliorée et une faible perte. Pour une puissance inférieure à 0,4 watt , on n'a pas pu obtenir de joints de bonne qualité. D'autre part, une puissance laser supérieure à 1,0 watt s'est traduite par une détérioration de la qualité de la fibre, comme par exemple une décoloration aboutissant au gris ou une évaporation de la substance de la fibre, cela bien que le joint ait été effectivement obtenu. Par conséquent, 11 énergie laser ainsi que le temps d'irradiation nécessaires pour former le joint des fibres optiques doit dre déterminé en se basant sur les valeurs obte- nues à l'aide des expressions mathématiqles données précédemment. On ajuste les fibres optiques dans une ou dans deux directions (voir figures 4 et 5, respeetivement) en utilisant les micro-manipulateurs 5 et 6 et en les observant à travers le microscope 4 de manière que les diamètres du revêtement cocident l'un avec l'autre. Dans le cas où l'Eme de la fibre de verre ou le revêtement de cette fibre ne sont pas concentriques, on doit effectuer l'alignement des fibres optique$ en faisant passer un faisceau laser, de préférence le faisceau d'un laser à He-Ne à travers les fibres optiques élignées de manière telle que l'on puisse atteindre un maximum d'efficacité du joint. Les fibres optiques à raccorder ne doivent pas présenter de face d'extrémité ondulées ou inclinées. Toutefois, il est difficile dans la pratique d'obtenir une face d'extrémité idéale. C'est pourquoi les fibres de verre irradiées par le faisceau laser doivent etre avancées longitudinalement l'une par rapport à 11 autre sur plusieurs dizaines de microns à l'ai- de des micro-manipulateurs pendant le processus de fusion. La figure 5 montre, sous une forme agrandie, un joint de fibres optiques obtenu par fusion. Dans ce joint, l'âme et le revêtement ont conservé leurs formes initiales. La perte par transfert à 11 endroit du joint formé de la manière ci-dessus est inférieure à 0,5 dB mesuré à l'aide d'un o faisceau laser de 6328 A émis par un laser à Fe-Ne . En outre, la résistance mécanique à la traction à l'endroit du joint est aussi forte que celle de la fibre elle-meme. Les figures 6a et 6b montrent, par une vue latérale et une vue en plan respectivement, l'agencement général d'un appareil utilisé pour raccorder des fibres optiques par fusion. Sur ces figures, les mimes références numériques que celles de la figure 4 désignent des éléments correspondants. La référence 11 désigne un réflecteur dont l'axe optique peut être réglé, la référence 12 désigne un obturateur, la référence 13 un socle et la référence 14 un support pour le microscope. Les références 15, 16 et 17 désignent des boutons de réglage pour les chariots de déplacement fin (manipuiateurs) adaptés pour être guidés le long de rainures en V. La référence 11 désigne un réflecteur dont l'axe optique peut Btre réglé et qui sert à faire coïncider la position de la partie située au point de convergence ou de pincement du faisceau laser avec une position de repérage du microscope. La figure 7a montre un agencement dans lequel les parties à raccorder des fibres optiques 7 et 8 sont irradiées sur la totalité de leur périphérie à l'aide du faisceau laser 2 émis par un oscillateur laser 1 à travers un miroir 18 et une lentille de focalisation 19. I1 convient de remarquer que des fentes s1 étendant axialement ont été formées dans la lentille et le miroir, respectivement, de manière à faciliter l'enlèvement des fibres optiques raccordées. La figure 7t montre un autre agencement utilisé pour irradier la totalité des parties périphériques des fibres optiques à raccorder. De faisceau laser 2 émis par l'oscillateur laser 1 est transformé en un faisceau cylindrique au moyen d'un miroir ou réflecteur conique 19 et une lentille conique 20. Le faisceau laser cglindrique est appliqué aux parties à raccorder 7a et 8a sur la totalité de leurs surfaces circon férencielles à travers un miroir réflecteur 21 et un miroir focalisateur 22 qui sont aussi pourvus de fentes respectives en vue du positionnement axial des fibres optiques. lia figure 8 montre une fibre optique raccordée comprenant trois éléments de fibres optiques, c'est-à-dire deux fibres optiques de sortie raccordées à une fibre optique selon les moyens généraux de la présente invention. Une telle structure de fibre optique raccordée constitue un coupleur pour diviser en deux une onde . D'autres types de joints servant de coupleurs pour une division multiple d'onde sont représentés sur les figures 9a à 9c . Sur la figure 9a , trois fibres optiques 8a, 8b > 8c sont raccordées par une seule fibre optique 7.Sur la figure 9b , des paires de fibres optiques 7a 7b et 8a et 8b sont raccordées l'une à l'autre. Dans le cas de la figure 9b , deux fibres optiques 7a et 7b sont raccordées concurremment à trois fibres optiques 8a, 8b et 8c. Comme on le comprendra d'après la description qui précède le procédé de raccordement de fibres optiques à l'aide d'un laser à C02 selon la présente invention présente l'avantage de permettre le raccordement par fusion de fibres de silice ou de quartz fondu présentant un point de ramollissement élevé, ce qui était impossible avec le procédé classique utilisant un fil de nichrome chauffé. En outre, du fait que l'on peut facilement régler le flux de chaleur nécessaire pour la fusion, on peut réaliser un joint caractérisé par une meilleure reproductivité et une pérte réduite. De plus, on peut efficacement éviter les dép8ts d'impuretés, Dans les modes de réalisation de la présente invention décrit ci-dessus, les fibres à raccorder étaient limitées à des fibres de silice et de quartz fondu. Toutefois, l'invention est applicable à d'autres fibres de verre contenant des ingrédients multiples étant donné qu'un faisceau de laser à C02 est aussi absorbé par ces fibres de verre et celles-ci peuvent, de ce fait, être fondues et raccordées. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y Btre apportées dans le cadre de la présente- invention tel qu'il est défini par les revendicatiors ci-anaexées. R E V E N D I C A g I O N S 1. Procédé pour raccorder des fibres optiques caractérisé par le fait que l'on irradie des parties desdites fibres optiques avec un faisceau laser focalisé ayant une longueur d'onde permettant son absorption par lesdites fibres, l'irradiation étant effectuée au moins le long d'une partie des surfaces extérieures desdites parties raccordées des fibres optiques. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites fibres optiques sont des fibres de silice fondue et que l'on utilise un laser à C02 pour lArradiation desdites fibres de silice fondue à raccorder. 3 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites fibres optiques à raccorder l'une à l1 autre sont déplacées axialement sur une faible distance en direction l'une de l'autre pendant la fusion sous l'irradia- tion dudit faisceau laser. 4. Procédé pour raccorder les unes aux autres unemulti- plicité de fibres optiques par irradiation d'un faisceau laser émis par un laser à C02, caractérisé par le fait que l'on positionne lesdites fibres optiques en laissant entre les extrémités en regard desdites fibres optiques une distance telle que ces extrémités viennent en contact l'une avec l'autre à la suite de la dilatation thermique desdites fibres optiques lorsque celles-ci sont irradiées par le faisceau laser, ledit positionnement étant effectué à l'aide de moyens d'alignement appropriés au voisinage du point focal d'une lentille qui focalise ledit faisceau laser, et on déplace l'une vers l'au- tre lesdites extrémités en regard des fibres optiques à raccorder en faisant avancer de façon correspondante lesdites fibres optiques pendant l'irradiation par le faisceau laser précité émis par le laser à C02 desdites parties d'extrémité en regard.