Brevet FR2496086A1 — publié le 19820618

-.,À 2496086 GUIDE D'ONDE OPTIQUE A COEUR DOPE AU FLUOR La présente invention concerne les guides d'onde optique et plus particulièrement une catégorie de fibres optiques qui pré- sentent une faible atténuation pour différentes longueurs d'onde réparties dans un large domaine spectral s'étendant du visible à l'infra- rouge. Il existe déjà plusieurs catégories de fibres optiques obtenues par étirage d'un semi-produit siliceux; les unes sont transparentes uniquement dans l'infra-rouge, les autres transpa- rentes dans le visible et le proche ultra-violet, mais opaques dans le proche infra-rouge. Ainsi il est connu de fabriquer de la silice en fondant des grains de quartz, mais celle-ci contient des traçes de métaux tels que le fer ou le cuivre qui sont responsables de pertes par absorption trop importantes, principalement dans le proche infra- rouge, pour permettre une utilisation dans cette zone spectrale. Il est également connu de fabriquer de la silice synthétique par décomposition de SiCl4 en présence d'oxygène. Selon le procédé de fabrication employé on obtient dif- férentes qualités de silice, dont la composition ainsi que les défauts de structure sont à l'origine de bandes d'absorption. Cela ressort notamment de la lecture des articles sui- vants: P. KAISER, A.R. TYNES, H.W. ASTLE, A.D. PEARSON, W.G. FRENCH, R.E. JAEGER et A.H. CHERIN - J. Opt. Soc. Am., 63, 1141 (1973); E. J. FRIEBELE, G.H. SIGEL, D.L. GRISCOM - 2ème colloque européen sur les fibres optiques - PARIS (septembre 1976); E.J. FRIEBELE5 R.J3 GINTHER, G. H. SIGEL - Appl. Phys. Lett., 24, 412 (1974). Par ces documents il est connu que la silice peut être affectée de différents types de défauts de structure: ceux-ci sont cres soit au moment de la formation de la fibre par étirage mécanique du verre en masse, soit lentement à temperature ambiaen- te, ou encore instantanément lors d'un traitement thermique ou d'une irradiation. Le seul remède connu est, semble-t-il, l'incorporation dans la silice de groupes hIlydroxyles OH en quantité non négli- geable. Ces groupes permettent d'éviter la formation de défauts ou de contribuer à leur rapide disparition dès leur création. Si ce remède est suffisant pour obtenir des fibres opti- ques dont l'atténuation est satisfaisante en particulier aux lon- gueurs d'onde voisines de 530 nm, l'absorption provoquée par les ions OH à 950 nm et aux plus grandes longueurs d'onde constitue un inconvénient majeur. A l'inverse, les fibres optiques dont la teneur en ions OH est extrêmement faible (inférieure à 5 ppm) ne sont pas utili- sables aux longueurs d'onde inffrieures à 540 nm, car elles sont altérées lors de leur formation. La présents invention a pour objet une fibre optique polyvalente doret lI coeur n'est pas ou du moins est peu sensible aux différsnte éfauts connus, et qui peut être utilisée aussi bien dans le proche infra-rouge que dans le visible. On atteint Ies buts de l'invention en utilisant pour former le coeur de la fibre optique un verre de silice synthéti- que dopée, pratiquement exempte de groupes hydroxyles et dont la teneur pondérale en SiO2 est supérieure ou égaie à 95 %. Selon l'une des earact'ristiques de l'invention la sili- ce synthétique dopée formant la coeur de le fibre optique est une silice dopée au fluor. Solon une autre caractéristique de l'invention la silice synthétique dopée formant le coeur de la fibre optique comprend au moins un oxyde augmentant l'indice de réfraction, ainsi que du fluor. La silice synthétique, qui est le constituant principal du verre formant la totalité du coeur de la fibre optique selon l'invention, peut être fabriquée par tout procédé susceptible de permettre son dopage par l'incorporation contrôlée de fluor en quantité suffisante. Elle peut être fabriquée par exemple par la décomposi- tion thermique simultanée d'au moins un composé du silicium et un composé fluoré, en présence d'oxygène contenu dans un courant ga- zeux exempt d'hydrogène, lesdits composés étant mélangés ou non préalablement à leur injection dans la zone réactionnelle. Elle peut être également fabriquée dans des conditions sensiblement indentiques en ajoutant au mélange réactionnel pré- cèdent au moins un élément, qui, incorporé dans la silice finale- ment obtenue, aura pour effet d'augmenter l'indice de réfraction de cette dernière. Le procédé de fabrication préféré consiste essentielle- ment à décomposer dans la flamme d'un brûleur à plasma inductif les composés mentionnés précédemment, à les faire réagir avec l'oxygène contenu dans le gaz d'alimentation du brûleur pour for- mer la silice dopée et la déposer sous forme de masse vitreuse sur un support stable à la chaleur. Les caractéristiques et les avantages des fibres selon l'invention ressortiront de la description détaillée ci-après, s'appuyant notamment sur la figure qui représente schématiquement une installation de fabrication de la silice dopée qui servira de coeur auxdites fibres. Dans le dispositif schématisé sur la figure, une enceinte pratiquement close 10 abrite de l'atmosphère ambiante le brûleur à plasma. Ce brûleur, porté par un support réglable 12 qui permet de faire varier son orientation, comprend un tube de silice 13 entouré d'une bobine d'induction 14 reliée électriquement à un générateur 15. Il est avantageux d'opérer avec un générateur haute tension (10 kilovolts) et haute fréquence (2 mégahertz). Le tube de silice possède une extrémité fermée munie d'un ajutage 16 par lequel on introduit le ou les gaz plasmagènes tels que l'air, l'oxygène, l'argon, le protoxyde d'azote ou leurs mélanges. Il est impératif, néanmoins, de choisir un mélange de gaz contenant de l'oxygène libre ou combiné, pour assurer la formation chimique de SiO2. L'amorçage du brûleur à plasma est réalisé selon la mé- thode classique, en envoyant tout d'abord un courant gazeux d'ar- gon par l'ajutage 16 et en introduisant dans le champ de la bobine d'induction une tige métallique reliée à la masse. L'argon est ensuite remplacé le plus rapidement possible par le gaz plasmagène choisi. Dans le tube de silice 13 prend alors naissance un plasma 17 qui se termine à l'extérieur par une "flamme" 18 atteignant des températures très élevées, de l'ordre de 10 000 OC. Deux ajutages 19 et 20 sont disposés à l'extérieur du brûleur à plasma, de préférence de chaque côté du tube de silice 13 et transversalement à la flamme. Lesdits ajutages, dirigés vers la flamme, sont avantageusement fixés sur un support permet- tant de les orienter à volonté, comme représenté sur la figure pour l'ajutage 19. L1ajutage 20 est relié par l'intermédiaire de la tubulure 21 à un évaporateur 22 contenant un composé du silicium, par exem- ple du tétrachlorure de silicium à l'état liquide, que l'on chauf- fe à l'aide du dispositif de chauffage 23. On place autour de la tubulure 21 une résistance chauffante 24 pour éviter la condensa- tion des vapeurs de tétrachlorure de silicium qui y circulent. Un débitmètre 25 intercalé sur le circuit indique la quantité de té- trachlorure évaporée par unité de temps. Les vapeurs de SiCl4 sont entraînées, à travers l'ajutage 20, vers la flamme du plasma, par un gaz vecteur arrivant par la tubulure 26 dans l'évaporateur 22. Ce gaz vecteur est de préférence de l'oxygène mais peut être également de l'azote ou de l'argon si le gaz plasmagène est très riche en oxygène. L'ajutage 19 est relié par l'intermédiaire de la tubulu- re 27 à un réservoir 28 contenant un produit fluoré sous pres- sion; la silice fluorée peut être obtenue avec un bon rendement en utilisant de préférence un composé minéral du fluor tel que l'hexafluorure de soufre SF6, le trifluorure d'azote NF3, ou leurs mélanges. La tubulure 27 est munie d'un manodétendeur 29 et d'un débimètre 30. En outre, on peut introduire un gaz vecteur tel que de l'oxygène sec par la tubulure 31. Les ajutages 19 et 20 sont également reliés par les tu- bulures 32 et 33 à un évaporateur 34 contenant un composé d'un élément augmentant l'indice de réfraction de la silice; ce com- posé peut être un composé de titane, par exemple le tétrachlorure de titane TiCl4. Cet évaporateur 34, chauffé par un dispositif 35, est relié en amont par la tubulure 36 à une source de gaz vecteur, entraînant les vapeurs de TiCI4: la composition de ce gaz est identique à celle du gaz arrivant par la tubulure 26. Un débit- mètre 37 indique la quantité de tétrachlorure évaporé par unité de temps. Des résistances chauffantes 38 permettent d'éviter la condensation des vapeurs de TiCl4 sur les parois des tubulures 32 et 33. Le ou les gaz vecteurs, de même que le ou les gaz plas- magènes, doivent être rigoureusement secs. L'élaboration du lingot de silice contenant du fluor est effectuée par dépôt axial de ladite silice sur une ébauche 40 de silice vitreuse de qualité ordinaire. Cette ébauche est portée par un dispositif mobile 41, qui comprend des organes permettant de la placer devant la flamme 18, et de la déplacer en transla- tion par rapport à celle-ci; elle est de plus entrainée en rota- tion pendant toute la durée de l'opération par un montage méca- nique de type connu comportant un mandrin 42. Cette rotation est nécessaire pour obtenir un lingot cylindrique de diamètre régu- lier. Pour obtenir un dép8t de verre homogène et transparent il est important d'opérer dans des conditions stables, en conser- vant notamment les vitesses de translation et de rotation de l'é- bauche. Par l'ouverture et la fermeture appropriées des vannes 50 à 57, il est possible de réaliser au choix, par croissance axiale sur l'ébauche 40, une silice simplement dopée au fluor ou une silice enrichie par l'oxyde d'un élément augmentant son in- dice de réfraction, ainsi qu'une quantité contrôlée de fluor. La longueur du lingot finalement obtenu est comprise entre 30 et 100 centimètres et son diamètre entre 70 et 90 mil- limètres. Si le lingot est formé d'une silice enrichie par l'oxy- de d'un élément augmentant son indice de réfraction, il est pos- sible, dans une deuxième phase, de le recouvrir par un dépôt ra- dial de silice simplement dopée au fluor puis par une couche de protection en silice pure. Ceci est obtenu en montant le lingot sur un tour verrier qui l'entraîne en rotation tout en se dépla- çant par un mouvement de va-et-vient, perpendiculairement à la flamme du plasma. - Le lingot est ultérieurement placé dans un four d'éti- rage vertical pour être transformé en baguettes transparentes de plusieurs mètres de long et dont le diamètre peut Atre choisi entre 10 et 20 millimètres. Ces baguettes à leur tour, après un nettoyage soigné de leur surface, sont étirées par des moyens connus sous forme de fibres de 0,125 à I millimètre de diamètre. Les fibres optiques selon l'invention sont illustrées ci- après par des exemples pris dans deux catégories de fibres: cel- les présentant un revêtement "plastique" et celles entièrement en verres de différentes compositions. Appartiennent à la première catégorie des fibres étirées à partir de lingots de silice dopée uniquement au fluor, selon des teneurs pondérales comprises entre 0,2 et 1 %. Le coeur des fibres, constitué de silice contenant un pourcentage uniforme de fluor, est simplement entouré, selon une méthode connue en soi, d'une gaine de résine silicone classique gainée à son tour par un revêtement de protection. Des fibres de ce type, référencées F1, F2, F3, F4, dans le tableau I, contiennent respectivement 0,2 % - 0,45 % - 0,8 % - 1 % de fluor (exprimés en pourcentages pondéraux). Le coeur de ces fibres d'un diamètre de 200jAm est recouvert par une couche de résine silicone de 50Opm, recouverte à son tour par un revêtement de protection dont l'épaisseur est de 150 Jm. Ces fibres sont comparées à des fibres classiques, dési- gnées par A et B, gainées de la même manière et dont le coeur est constitué respectivement de silice synthétique pratiquement pure contenant environ 30 ppm de groupes hydroxyles et de silice syn- thétique contenant entre 200 et 250 ppm de groupes hydroxyles. Le tableau I ci-après rassemble les valeurs initiales de l'atténuation présentée par ces fibres, en dB/km, pour différen- tes longueurs d'onde. TABLEAU I A B F1 F2 F3 F4 630 nm 25 15 20 17 l11 10 800 nm 4,8 5 3,5 4,5 4 3,5 820 nm 4,9 5,1 3,5 3, 2 3,2 3 945 nm 35 > 50 25,4 24,5 16,8 7,5 1050 nm 5,6 8 4,3 5,7 6,8 5,1 La lecture de ce tableau appelle plusieurs remarques. Tout d'abord la comparaison entre les fibres A et B mon- tre que la présence d'ions OH dans la silice synthétique diminue fortement l'atténuation à 630 nm, confirmant ainsi les résultats ou les hypothèses déjà connus; que, d'autre part, les mêmes ions OH provoquent une absorption à 945 nm d'autant plus marquée que leur concentration augmente, phénomène également bien connu. La comparaison entre les fibres de l'invention et les fibres A et B montre que le fait d'incorporer du fluor dans la silice synthétique a un double effet: - alors que la fibre A et les fibres Fl à F4 ont été étirées à partir de lingots fabriqués dans des conditions iden- tiques, on constate, d'après les atténuations mesurées à 945 ne, que la teneur en OH décroit considérablement au fur et à mesure que la teneur en fluor augmente; - on constate également, d'après les atténuations mesu- rées à 630 nm, que l'incorporation du fluor a pour effet de ré- duire, voire de supprimer les défauts apparaissant normalement lors de l'étirage d'une silice contenant peu ou pas d'ions OH. Il est également remarquable que cet effet s'observe malgré la dimi- nution de la teneur en OH. Au dessus de 1 % de fluor l'influence de cet élément sur l'atténuation devient négligeable, notamment à 630 nm o pour la fibre F4 les pertes mesurées sont dues pour l'essentiel à la dif- fusion Rayleigh. Les fibres selon l'invention présentent une résistance remarquable à l'action de tous les rayonnements ionisants, ou plus exactement, recouvrent rapidement leurs propriétés initiales. Cela est mis en évidence par l'expérience suivante réalisée, à titre d'exemple, sur les fibres précédemment décrites. Les fibres classiques A et B ainsi que les fibres Fl, F2 et F4 ont été exposées pendant une heure à un rayonnement b (sour- ce de cobalt 60). La dose moyenne reçue par les fibres à l'issue de cette exposition a été de l'ordre de 100.000 rads. Le tableau suivant montre l'évolution de l'atténuation en fonction du temps immédiatement après la fin de ce traitement. Les valeurs figurant dans ce tableau sont exprimées en dB/km et résultent de mesures effectuées à 800 nm. TABLEAU II I A B Fl F2 F4 + 2 mn Z 550 215 re.120 + 5 mn 550 = 85 + 15 mn C 550- 4: 80 + 30 mn - 550 - 200 - 120 '!75 + 60 mn I 550 û 190 _ -125 - *100L 40 Aussitôt après la fin de l'exposition au rayonnement io- nisant les fibres se distinguent par des atténuations très diffé- rentes; on retrouve l'effet bénéfique des ions OH décrit dans l'art antérieur (comparaison A, B) mais surtout on observe sur les fibres selon l'invention une diminution très rapide de l'atténua- tion. Cette évolution est d'autant plus marquée que la teneur en fluor est plus élevée. Dans le domaine des fibres optiques comprenant un coeur en silice synthétique dopée par un oxyde augmentant l'indice de réfraction, entourée d'une ou plusieurs couches de verres de si- lice de compositions différentes, les fibres optiques selon l'in- vention se distinguent aussi par des propriétés remarquables. Ainsi il est connu d'utiliser dans le proche infra-rouge des fibres optiques dont le coeur est constitué de silice dopée au titane, car elles présentent une faible atténuation dans les gammes de longueurs d'onde comprises entre 1000 et 1200 nm et entre 1500 et 1700 nm. Ces fibres présentent par contre une atténuation trop im- portante au-dessous de 800 nm pour être utilisées dans le domaine des faibles longueurs d'onde. Les propriétés de ces fibres peuvent âtre partiellement améliorées grâce à un traitement thermique qui consiste à les soumettre à une température supérieure à 150 OC pendant plusieurs jours. Ce traitement a pour effet d'améliorer sensiblement la transmission desdites fibres entre environ 700 et 800 nm, mais présente toutefois l'inconvénient de faire apparaître une bande d'absorption intense, centrée sur 950 nm, et s'étendant de 800 à 1100 nm. Ainsi que le montrent les exemples décrits ci-après les fibres optiques selon l'invention échappent pour l'essentiel aux inconvénients précités. 2496086' Des fibres référencées TF1 et TF2 dans le tableau sui- vant comprennent un coeur de silice synthétique dopée simultané- ment par du titane et du fluor recouvert par une couche de silice uniquement dopée au fluor, cette dernière étant à son tour recou- verte d'une couche de silice non dopée servant uniquement à la protection mécanique de la fibre. Le coeur, d'un diamètre de sm, est recouvert d'une première couche de 45 pm d'épaisseur. Le coeur de ces fibres contient respectivement 0,2 % de fluor associé à 2, 25 % de TiO (TF1) et 0,4 % de fluor associé à 1,55 % de TiO2 (TF2), l'ensemble étant exprimé en pourcentages pondéraux. Les fibres selon l'invention sont comparées à une fibre connue, référencée C, dont le coeur est constitué de silice syn- thétique dopée par 3 % en poids de TiO2. Le tableau III ci-après rassemble les valeurs de l'atté- nuation (en dB/km) présentée par ces fibres avant et après un traitement thermique à différentes longueurs d'onde. Ce traite- ment a consisté à soumettre ces fibres à des températures supé- rieures ou égales à 170 OC pendant au moins 3 jours. TABLEAU III 950 nm 27 40 33 25 de 1100 à 1200 nm10 8 6 7 7 3,5 (valeur moyenne) 1300 nm 100 > 100 15 16 12 5 1600 nm il 7,5 6,5 1,7 2 * Les valeurs de l'atténuation présentée par la fibre TF2 après traitement thermique sont obtenues après correction des pertes dues aux microcourbures. La fibre C présente quelques zones d'atténuation moyenne ou faible enserrées entre des pics d'absorption forte ou très forte centrés sur 630, 945 et 1350 nm. Comparativement à elle ce tableau met en évidence la transparence remarquable des fibres selon l'invention. Les fibres selon l'invention se distinguent par des C TF1_ TF2 vierges traitées vierges traitées vierges t r 630 nm > 100 > 100 50 35 17 800 nm 30 12,5 il 8,5 22 12 zones plus nombreuses et plus larges d'atténuation faible ou très faible, surtout après traitement thermique. Ainsi l'absorption à 630 ne due aux défauts apparaissant lors du fibrage décroit con- sidérablement pour disparaitre pratiquement après traitement thermique; l'absorption à 950 ne est beaucoup moins marquée. Il apparait à 1300 nm une nouvelle zone se caractérisant par une at- ténuation suffisamment faible pour permettre l'utilisation de cette longueur d'onde. D'une façon générale toutes les atténua- tions sont réduites pour atteindre parfois des valeurs extrême- ment faibles. L'action du fluor est manifeste même pour de faibles pourcentages; il est ainsi possible d'obtenir une amélioration substantielle des propriétés de la silice de coeur sans subir les inconvénients entrainés par des teneurstrop fortes en fluor, à savoir un écart trop faible entre les indices de réfraction du coeur et de la couche qui l'entoure. La concentration en titane et En fluor du coeur des fibres optiques TF1 et TF2, données à titre d'exemples non limi- tatifsest uniforme. Il est cependant possible, tout en demeurant dans le cadre de l'invention, de réaliser des fibres dont le coeur contient une teneur uniforme de fluor, associé à des con- centrations en élément dopant décroissant radialement depuis l'axe de ladite fibre. D'une façon générale l'équilibre entre l'élément dopant augmentant l'indice de réfraction de la silice de coeur et le fluor est à déterminer en fonction de la nature dudit élément et des caractéristiques désirées pour la fibre. Il est bien évident que si la description précédente a privilégié les fibres de transmission optique, la présente inven- tion s'applique à tout guide d'onde optique dont la structure est similaire. REVENDICATIONS 1. Guide d'onde optique constitué d'un coeur rev6tu d'au moins une couche périphérique distincte, caractérisé en ce que le coeur dudit guide d'onde est constitué d'un verre à base de sili- ce synthétique dopée au fluor et dont la teneur pondérale en si- lice est au moins égale à 95 %. 2. Guide d'onde optique selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le fluor incorporé dans le verre à base de sili- ce synthétique formant le coeur dudit guide d'onde est réparti uniformément dans ledit verre. 3. Guide d'onde optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coeur dudit guide d'onde est constitué d'un verre contenant exclusivement de la silice et du fluor. 4. Guide d'onde optique selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le pourcentage de fluor incorporé dans la sili- ce est au moins égal à 0,5 % en poids et de préférence supérieur ou égal à 0,8 % en poids. 5. Guide d'onde optique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le verre à base de silice synthé- tique formant le coeur dudit guide d'onde contient au moins un oxyde d'un élément qui augmente l'indice de réfraction-dudit verre. - 6. Guide d'onde optique selon la revendication 5, carac- térisé en ce que l'élément augmentant l'indice de réfraction du verre formant le coeur dudit guide d'onde est le titane. 7. Guide d'onde optique selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le pourcentage de fluor incorporé est de préfé- rence inférieur ou égal à 0,5 % en poids.