Brevet FR2363121A1 — publié le 19780324

La présente invention concerne un guide d'ondes optiques à revêtement métallique destiné à la transmission simultanée de signaux électriques et optiques. Des revues du développement des guides tondes optiques à fibres à faible perte figurent dans les articles de N. S. Kapany, ',Fiber Optics Principles and Applications", (Academic Press, New York, 1967) et de M. E. 3arnoski "Fundamentals of Optical Fiber Communication Systems (Academic Press, New York, 1976). Il faut noter que le travail initial, au début des années 50, a été réalisé par Kapany et Hpkins, the Imperial College, Londres, et par Van Heel,Hollande, et constitue la base de la transmission d t images alignées de fibres souples de verre. Ces recherches ont conduit à la mise au point de dispositifs de formation d'images à fibres souples et d'endoscopes destinés à une inspection à distance.Au cours des années 60, on a utilisé les fibres optiques pour diverses applications et on a reconnu les possibilités d'utilisation des fibres de verre pour le guidage de la lumière dans les applications de communication. Be probleme-posé par les fibres disponibles à ce moment était l'atténuation optique excessive de l'ordre de 1000 décibels par kilomètre et plus. A la fin de 1970, Corning Glass Works a indiqué pour la première fois l'obtention d'une fibre ayant une atténuation de 20 décibels par kilomètre. Ces fibres à faible perte étaient formées avec un revêtement de silice pur et une âme de silice dopée par des matières d'indice plus élevé de réfraction telles que l'oxyde de titane ou de germanium. La raison du dopage est l'obtention d'un indice de réfraction légèrement plus élevé dans la région centrale ou d'âme de la fibre,afin que la lumière puisse être guidée'suer toute la longueur par le processus de réflexion interne totale à l'interface de l'amie du revêtement. On a depuis mis au point des fibres à faible perte, inférieure à 5 dbl/km, mais elles ont toutes aussi une face externe de silice pure ou d'un verre à teneur élevée en silice.Le succès actuel de ces fibres est attribué dans une grande mesure à la technologie bien au point de traitement qui permet la formation d'un verre synthétique de silice de très haute pureté. La technologie des guides d'ondes optiques à fibres de silice dopée a progressé à un point tel que les faibles pertes sont devenues une propriété de routine et la principale incertitude de la technique qui peut encore déterminer le succès ou l'échec de cette technologie est le conditionnement de la fibre sous forme d'une structure de câble qui protège la silice contre les éléments hostiles qui peuvent provoquer sa rupture. La fragilité des fibres de verre est bien connue et c'est la raison pour laquelle certains systèmes exploratoires ont utilisé des faisceaux de fibres de silice et non des fils uniques, dans des tronçons de transmission optique des données. Un certain pourcentage des fibres des faisceaux peut se briser dans des contraintes d'installation et de fonctionnement continu sans panne totale de la liaison. Bien que ces faisceaux conviennent bien à la démonstration des possibilités du système, ils ne sont pas utilisables dans les applications reelles. Des progrès dans le cablage réalisés par Corning Glass Works ont conduit à la formation d'un nouveau faisceau standard comprenant six fils de fibre . Bien que les fibres de verre restent très fragiles, le câble est renforcé par incorporation de fils de "Kelvar't (marque de fabrique d'un polymère très résistant récemment mis au point par Dupont Company) dans l'enveloppe de matière plastique qui entoure le cabale. Dans de nombreuses applications, la solution du problème nécessite cependant le renforcement des fibres individuelles. Lorsque des fibres de grande longueur (1 kilomètre et plus) et de résistance élevée à la traction (1,4.109 Pa et plus) sont disponibles, des liaisons de communication et de transmission de données peuvent être réalisées avec des fibres à fil unique léger et non par des cables très armés ou des faisceaux. L'invention concerne de telles fibres longues, à faible perte et à résistance élevée à la traction. L'invention concerne aussi de telles fibres très résistantes et à faible perte qui permettent la transmission simultanée d'énergie optique et électrique. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique N03 434 774, NO 3 778 132, NO 3 936 1-62 et NO 3 788 827 décrivent un guide d'ondes optiques du type décrit précédemment, en détail. Des efforts considérables ont été consacrés au revetement de tels guides d'ondes optiques de fibres par'des matières organiques, Dar exemple thermoplastiques et des polymères durcis par les rayons ultraviolets. Ces couches donnent satisfaction pendant un temps court, mais elles ne sont pas hermétiques. Finalement, elles laissent passer les impuretés telles que l'humidité qui attaque la surface du verre et affaiblit ia fibre.La couche métallique selon l'invention forme un joint hermétique véritable donnant une résistance mécanique élevée pendant de longues durées. Bien que le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique NO 7 778 132 décrive une couche externe 5 (aux lignes 5 h i? ae la colonne 3 de ce brevet,- sous forme d'une couche de protection destinée à empêcher la diaphonie entre les lignes adjacentes et comprenant une matière très absorbante des ondes transmises et qui peut etre par exemple une matière plastique ou une métallisation de chrome déposée en phase vapeur), cette couche 5 est obligatoirement très mince car elle est déposée en phase vapeur et elle n'a ni une résistance suffisamment faible pour conduire les courants électriques et une épaisseur suffisante pour renforcer la fibre. En fait, on ne peut pas obtenir une telle épaisseur ét un joint hermétique par un dépôt en phase vapeur qui est un procédé lent. lie brevet précité NO 3 788 827 décrit le dépot en phase vapeur d'un revêtement de matière plastique ou d'un métal hydrophobe sur le guide d'ondes optiques par une opération-néeessitant le passage de la fibre non protégée-par un joint sous vide. lie contact avec la fibre et le joint détériore la surface du guide d'ondes et l'affaiblit avant l'application du revetement. En fait, certains spécialistes ont considéré que les revêtements métalliques. suffisamment épais pour accroître la résistance mécanique seraient aussi trop absorbants polir que la transparence optique de la fibre soit conservée,étant donné l'effet perturbateur du revetement métallique sur le champ d'énergie électromagnétique qui se propage dans le guide d'ondes. Ainsi, on a pensé qu'un revetement métallique suffisamment épais pour renforcer la fibre provoque une atténuation optique ou des pertes par absorption si élevées que la fibre ne serait plus utile comme un canal de communications à faible perte. L'invention concerne la résolution de ce dilemne apparent. lies brevets des Etats-Unis d'Amérique NO 2 928 71-6, NO 3 083 550, NO 3 268 712 et les brevets britazul ques NO 982 051 et NO 1 038 534 décrivent des procédés d1applica- tion de reVêtements métalliques sur des fibres de verre, formés de matières homogènes solides et ne constituant pas des guides d'ondes optiques, mais destinés à former des éléments robustes dans des étoffes ou analogues. il faut noter que la technique physique du revêtement des fibres de verre par des métaux à l'état fondu lorsque le verre est étiré et est aussi à ltétat fondu est connu depuis un certain temps1 comme indiqué dans ces brevets.Cependant, on n'a encore jamais appliqué cette technique au revetement des guides d'ondes optiques, car on a pensé que le revetement résultant, qui est nettement plus épais que celui que forme la pulvérisation ou le dépôt en phase vapeur, aurait une épaisseur telle que la transparence optique serait perturbée et le guide- d1ondes aurait une atténuation élevée. L'invention montre que cette considération est erronée. Plus précisément, l'invention concerne une technique de revêtement dans laquelle un métal se solidifie à la surface d1une fibre lorsque celle-ci est étirée dans un bain de métal fondu, lors de l'application d'un revêtement de métal tel que l'aluminium sur un guide d'ondes optiques à fibres de verre et ayant un revetement de verre de silice pure ou contenant beaucoup de silice.Le guide d'ondes de verre est étiré dans un bain fondu de métal afin que ce dernier assure l'étanchéité de la surface de verre lors dé sa formation et avant toute abrasion, rayure ou autre détérioration possible de la surface, ce phénomène pouvant provoquer la fragilité des fibres de verre. il est essentiel pour la suppression d'atténuation excessive de la transmission optique du guide d'ondes rétultant, que la couche de revêtement du verre, entre l'amie du guide d'ondes et la couche métallique ainsi formée, ait une épaisseur comprise entre 10 et 100 microns. La couche métallique, pour remplir la fonction prévue, doit avoir une épaisseur comprise entre 5 et 100 microns.Lorsque ces épaisseurs sont respectées, on peut montrer qu'on obtient une augmentation imprévue de la résistance mécanique de la fibre sans perte de souplesse et sans augmentation prévue de l'at ténuation du guide d'ondes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 est une perspective en coupe partielle et sous forme agrandie, des détails d'un guide d'ondes optiques à fibres revêtues d'un métal selon l'invention la figure 2 est un graphique représentant l'atténuation optique supplémentaire provoquée par le revêtement métallique, en ordonnées et en dbl/km en fonction de l'épaisseur normalisée du revetement de verre, la courbe en trait plein correspondant à l'aluminium et la courbe en trait interrompu à l'argent et à l'or ; et la figure 3 est un diagramme synoptique représentant un exemple d'application particulièrement avantageuse du guide d'ondes optiques selon l'invention. La figure 1 représente un guide d'ondes optiques 10 sous forme d'une fibre revetue dluWiétal selon l'invention. Le guide d'ondes 10 comprend une ame centrale Il, un revetement 12 de verre disposé concentriquement autour de ltame li et un revêtement ou une enveloppe métallique 13 placé concentriquement sur le revêtement 12 de verre. L'âme 11 est de préférence en silice SiO2 très pure ou dopée aiarl un premier indice de réfraction n1 La partie de guide ou revtement i 2 peut être formée de SiC2 ou de tout verre convenable ayant un indice de réfraction n2 légèrement plus faible que le premier. L'âme -11 peut avoir un indice de réfraction uniforme ou elle peut comprendre deux ou plusieurs couches, chaque couche successive ayant un indice de réfraction inférieur à celui de la couche sousjacente,si bien qu'un gradient parabolique particulièrement utile dans les structures multi-mode peut être obtenu de façon approximative. lie revêtement 12 de verre a habituellement une composition uniforme, mais il peut aussi avoir une composition variant progressivement. L'enveloppe ou gaine métallique 13 est en métal malléable et non en métal dur afin que les effets négatifs de l'atténuation par micro-flexion soient évités. Des métaux malléables qui conviennent l'aluminium, l'antimoine, le bismuth, le cadmium, l'argent, l'or, le zinc, le plomb, l'indium, l'étain et leurs alliages indium-argent , aluminium-nickel ou argent-or. Te métal choisi doit avoir une faible vitesse de corrosion dans l'atmosphère utilisée et il ne peut pas s'agir d'un métal dur tel que le chrome. L'enveloppe métallique-13 est formée à la surface de silice du revêtement 12 de la fibre 10, afin qu'elle forme un joint hermétique durable, permanent et étanche autour de la- fibre de verre. Le revetement est appliqué sur la fibre pendant son étirage, juste après-la sortie- de celle-ci du four. Il est important que le revêtement soit appliqué avant que la fibre ait pu subir une abrasion sur le rouleau de prélèvement sur lequel est enroulée la fibre revêtue et me me avant refroidissement de la fibre à un point qui permette le collage de l'humidité ambiante à la surface-. Le procédé de revêtement métallique peut par exemple comprendre le passage du guide d'ondes formé par la fibre de verre dans une coupelle de revêtement qui contient le métal fondu à déposer sur la fibre, à une température légèrement supérieure à la température de fusion. La coupelle a au fond un petit trou qui est quand me me suffisamment grand pour que la fibre puisse y passer, mais suffisamment petit pour que la tension superficielle du métal fondu empêche la sortie de celui-ci.Lorsque la fibre passe dans la coupelle, une mince couche de métal se solifie à la surface du verre. lies conditions qui conviennent à la formation d'une couche métallique adhérant bien à la surface de la fibre nécessite que la température du bain métallique dans lequel passe le verre soit légèrement supérieure à sa température de fusion, alors que la température de la fibre de verre est inférieure à cette température de fusion. B'épaisseur de la couche métallique (dimension A sur la figure 1) est réglée à partir de la vitesse d'étirage de la fibre et de la différence de température entre la fibre et le bain métallique.Par exemple, l'épaisseur A de l'enveloppe métallique 13 est comprise entre 5 et 100 microns et, de préférence, entre ?0 et 50 microns. L'épais seur maximale est limitée par le fait que la souplesse de la fibre doit être conservée, alors que 11 épaisseur minimale est fixée par l'obtention d'une protection convenable contre l'abrasion. L'obtention de ces effets sans perturbation simultanée de la transparence optique du guide d'ondes par atténuation optique excessive par le revetement métallique nécessite le maintien d'épaisseur radiale de la couche 12 de verre du revêtement (dimension B dans la figure 1) entre 10 et 100 microns et, de préférence, entre 15 et 30 microns. lie rayon C de l'amie 1 1 doit être compris entre 1 micron pour les fibres mono-mode et 100 microns pour les fibres multi-mode. Dans le cas des fibres multi-mode couramment utilisées, la plage avantageuse de rayon C est comprise entre 15 et 50 microns. Cette plage avantageuse correspond à un compromis entre la facilité du raccordement des fibres, qui augmente lorsque ltame grossit, et la dépense d'une matière d'âme ultra-pure, qui diminue lorsque l'âme diminue. lie diamètre total du guide d'ondes 10 doit cependant être inférieur à 250 microns. Ainsi, la somme rayon C de l'âme 11, de l'épaisseur B du revêtement 12 de verre et de l'épaisseur C de-l'enveloppe métallique 13 doit être inférieure à 125 microns afin que le guide d'ondes conserve une souplesse raisonnable. Be guide d'ondes résultant 10 a une résistance à la traction d'au mois 1,4.109 Pa. On sait que la résistance élevée à la rupture de la matière de la fibre de verre à l'état vierge est d'environ-1,4.1010 Pa, et est donc bien suffisante pour l'obtention de la valeur finale voulue qui est supérieure à 1,4.109 Pa.- La raison pour laquelle on nta pas encore préparé de longues fibres ayant une résistance mécanique pro che-de celle de la résistance à la rupture indiquée,est la présence de défauts superficiels de dimension inférieure au micron, provoquée soit par une faible abrasion mécanique au cours et après les opérations d'étirage habituel des fibres, soit par attaque chimique par les impuretés atmosphériques telles que l'humidité qui affaiblit la fibre. L'effet désas treux des défauts superficiels sur la résistance mécanique du verre est bien connue. En fait, tps ceux qui ont rayé une feuille de verre pour lçcaliser une rupture peuvent apprécier l'influence remarquable de ces défauts superficiels sur la résistance des matières fragiles telles que le verre. lie travail poussé de Proctor et Goal., the Proceedings of the Royal Society, vol. 297A, page 534 (1967) montre que la résistance initiale ou naissante des fibres de silice est toujours élevée et ne dépend pas des conditions particu- lières d'étirage. Le problème de l'obtention d'une résistance mécanique élevée est donc réduit vl.la conservation de cette valeur initiale. Les seuls facteurs qu'on a identifiés pour la réduction de la résistance mécanique de la fibre sont la dét:rioration mécanique, l'attaque chimique de la surface par les impuretés. On a même totalement attribué la fatigue statique aux impuretés superficielles.B'enveloppe ou couche métallique 13 constitue une bonne protection mécanique et un joint hermétique contre la contamination. On peut obtenir une protection mécanique et un isolement électrique supplé mentaires,qui doivent e"tre-nécessaires par l'application d'une couche extrudée 14 de matière plastique à l'extérieur de l'enveloppe 13 de métal. L'analyse de l'influence de lteffet d'une couche limite métallique sur le guide d'ondes de silice dopée comprenant l'âme 11 et le revêtement 12 indique (comme représenté à la figure 2) que, contrairement à une croyance des spécialistes, l'influence sur l'atténuation optique est négligeable lorsque l'épaisseur du revetement de verre dépasse 20 microns environ. Sur la figure 2, l'épaisseur B du revêtement de verre est portée sous forme de l'épaisseur normalisée, c'est-à-dire l'épais- seur réelle divisée par la longueur d'onde de l'énergie qui se propage dans le guide d'ondes. Comme la région spectrale de transmission à faible perte du guide d'ondes à fibres est comprise dans le proche infrarouge, approximativement entre 0,7 et 1 ,3 micron, il est commode de considérer que la longueur d'onde de fonctionnement est égale à 1 micron. Dans ce cas, les abscisses de la figure 2, en unités normalisées, peuvent être considérées comme représentant directement des microns.On note que, lorsque l'épaisseur du revêtement de divers métaux analysés dépasse environ 20 microns, l'atténuation optique sup-lémentaire due au revêtement métallique est inférieure à 2 dbl/km.Dans la plupart des applications, une atténuation supplémentaire aussi faible est acceptable. Dans des cas particulier, où une atténuation optique supplémentaire encore plus faible est nécessaire, l'épaisseur du revêtement de verre doit être accrue, conformément à la figure 2. Comme les revêtements de verre appliqués à la plupart des guides d'ondes à faible perte ont habituellement une épaisseur de l'ordre de 25 microns, la couche métallique-n'impose aucune nouvelle restriction à la dimension du guide d'ondes. Au cours des essais dont les résultats sont présentés à la figure 2, on a supposé une différence entre l'indice de réfraction de l'ame et du revetement de 1 %. Qualitativement, les pertes supplémentaires par atténuation optique sont dues à la pénétration du champ amorti des modes guidés à travers le verre du revetement et dans la couche métallique qui a un indice de réfraction complexe. Lorsque l'épaisseur du revêtement augmente, l'amplitude du champ amorti atteignant la couche métallique diminue exponentiellement comme indiqué par le graphique. Bien.que le critère de réduction minimum de lattenua- tion supplémentaire porte sur l'épaisseur minimale dn revêtement 1 2 de verre, le renforcement efficace de la fibre impose une épaisseur minimale A de l'enveloppe métallique 13. Cette enveloppe métallique ou ce revêtement doit avoir une épais seur comprise entre 5 et 100 microns et, de préférence, entre 10 et 50 microns à cet effet.Une enveloppe de cette epaisseur forme un joint hermétique convenable et assure 17aSg- mentation de la résistance mécanique et, dans le cas ou le métal est un bon conducteur de l'électricité, tel que l'alumi- nium,il constitue simultanément un bon conducteur puisque sa résistance est de tordre de 3 ohms par mètre. Bien que le rôle primaire de l'enveloppe soit le renforcement de la résistance mécanique de la fibre, il existe de nombreuses applications dans lesquelles la formation d'un canal de communication électrique destiné à être utilisé simultanément avec un guide d'ondes optiques est essentielle ou souhaItable. De telles configurations sont schématiquement représentées par le diagramme synoptique de la figure 3. On note sur la figure 3 que le guide d'ondes 10 est relié à un premier dispositif 20 formant source etXon détecteur optique, et à un second dispositif 21 du même type; La connexion du guide d'ondes optiques est forméepar tout dispositif convenable 22, 23 de couplage optique. Des techniques de couplage et de multiplexage ou de transmission multi-mode dans les guide d'ondes optiques sont bien connues des spe- cialistes. Toutes ces techniques peuvent évidemment etre utilisées. En plus de la transmission optique, le guide d'ondes 10 peut assurer la transmission d'un ou plusieurs signaux électriques dans l'enveloppe métallique 17. Comme indiqué sur la figure 3, un premier dispositif 24 formant une source et/ou un détecteur d'énergie électrique est relié à l'enveloppe métallique 13 à une première extrémité de la fibre, et un second dispositif analogue 25 est relié à l'autre extrémité de la fibre. Dans un exemple, le signal électrique peut ne rien être d'autre qu'un courant d'appel ou d'alarme dans les applications dans lesquelles le guide d'ondes optiques est utilisé pour la transmission de signaux video à large bande, par exemple provenant d'installations à téléphone vidéo ou d'autres appareillages de télévision en circuit fermé.Dans une autre application, la fibre 10 peut être déroulée par un missile ou une autre plate-forme qui peut voler, relié à un panneau de commande au site de lancement. De tels missiles peuvent comporter une caméra de télévision dans leur nez afin qu'ils observent l'endroit vers lequel ils se dirigent. Les signaux vidéo provenant d'une telle caméra de télévision peuvent être commodément transmis par les guides d'ondes optiques jusqu'au site de lancement,simultanément à la transmission de signaux électriques de guidage provenant du site de lancement et transmis par l'enveloppe métallique13 jusqu'au missile ou à l'engin qui est ainsi guidé vers une cible voulue qui peut être observée simultanément par un affichage du signal vidéo. Dans l'ordre de telles applications, la conductivité et la résistance mécanique de la fibre obtenue à l'aide de l'en- veloppe métallique ont une importance primordiale. REVENDICATIONS 1. Guide d'ondes à fibres souples de verre, destiné à la transmission de radiations électro-magnétiques optiques, ledit guide d'ondes ayant essentiellement; une Ame de verre ayant un premier indice minimal de réfraction pour lesdites radiations et un revêtement de verre concentrique à l'a'me qu'il entoure et comprenant au moins une couche ayant un second indice de réfraction pour lesdites radiations, ce second indice de réfraction étant inférieur à la valeur minimale du premier indice de réfraction, d4au moins 0,1 %0, afin qu'il assure la réflexion interne totale des radiations optiques à l'interface de l'âme et du revêtement et guide ainsi les radiations optiques le long du guide d'ondes, ce dernier étant caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif destiné à préserver la résistance-mécanique naissante du guide d'ondes formé par la fibre de verre, sans perturbation pratiquement de la transparence optique du guide d'ondes ou de sa souplesse, ce dispositif comprenant un revêtement d'un métal malléable enrobant hermetiquement la surface externe du revêtement de verre, l'épaisseur du revêtement de verre placé entre l'ame et le revêtement métallique étant comprise entre 10 et 100 microns et l'épaisseur du revêtement métallique est comprise entre 5 et 500 microns, le diamètre externe du guide d'ondes composite en fibres de verre étant inférieur à 700 microns. 2. Guide d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du revêtement de verre est comprise entre 15 et 30 microns. 3. Guide d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du revetement métallique est comprise entre 10 et 50 microns. 4. Guide d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal du revêtement métallique est l'aluminium. 5.-Guide d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide *'ondes à fibres de verre revêtues d'un métal a une résistance à la traction au moins égale à 1,4.10' Pa, pour un tronçon d'au moins 1 km de longueur. 6. Guide d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance électrique du revêtement métallique ne dépasse pas 3 ohms/m. 7. Guide d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement métallique est appliqué sur le revêtement de verre lorsque le guide d'ondes à fibres de verre est étiré, si bien que la détérioration de la surface de la fibre est évitée. 8. Guide d'ondes selon la revendication 7, caractérisé en ce que le revêtement métallique est appliqué par étirage de la fibre de verre dans un bain de métal fondu. 9. Guide d'ondes selon la revendication 8, caractérisé en ce que la température de la fibre, lorsqutelle pénètre dans le bain de métal fondu, est inférieure à la température de fusion-de ce dernier. 10. Guide d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal du revêtement métallique est choisi dans le groupe qui comprend l'antimoine, le bismuth, le cadmium, l'argent, l'or, le zinc, le plomb, l'étain, l'aluminium et les alliages de ces métaux. 11. Guide d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'vil comprend en outre une gaine polymère externe appliquée afin qu'elle assure une protection mécanique supplémentaire. 12. Guide d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif destiné à transmettre un signal optique à une extrémité au moins de l'åme du guide d'ondes à fibres de verre, et un dispositif de détection du signal optique à l'autre extrémité, et un dispositif destiné à appliquer un signal électrique à au moins une extrémité du revêtement métallique du guide d'ondes à fibres de verre et un dispositif destiné à détecter le signal électrique à l'autre extrémité. 13. Guide d'ondes selon la revendication ;. caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif destiné à appliquer un signal optique à un premier point du guide d'ondes à fibres de verre, et un dispositif destiné à détecter ce signal optique à un second point du guide d'ondes à fibres de verre qui est éloigné du premier point d'application du signal.