Brevet FR2523316A1 — publié le 19830916

La présente invention concerne les fibres optiques, et en particulier des fibres à faible perte et à faible dis- persion. Par le choix approprié des rayons et des indices de réfraction d'une fibre optique unirmodale à double gaine, com- prenant une région de coeur entourée par une gaine intérieure mince et par une gaine extérieure plus épaisse, on peut parve- nir à une faible dispersion chromatique sur la gamme des lon- gueurs d'onde comprises entre 1,3 et 1,55 pm Cependant, lorsque la longueur d'onde augmente, les pertes dues au rayonnement à travers les couches de gaine deviennent impor- tantes En particulier, au voisinage de la longueur d'onde de coupure du mode fondamental, une faible variation de la lon- gueur d'onde du signal fait passer le mode fondamental d'une onde guidée à une onde à fuite qui rayonne à travers les gai- nes Il en résulte une perte élevée à l'extrémité supérieure de la gamme de faible dispersion. Conformément à l'invention, le mécanisme de perte décrit ci-dessus est éloigné de la région de longueur d'onde désirée à faible dispersion chromatique et, de plus, la bande de faible dispersion est élargie Ceci est accompli dans un guide de lumière comprenant une région de coeur entourée par quatre couches de gaine Si on désigne respectivement par nc, n 1, N 2, N 3, et N 4, les indices de réfraction du coeur et des couches de gaine successives, les indices sont avantageuse- ment proportionnés de manière à avoir nc> N 2 > N 4 > N 3 > N 1. Par le choix approprié des indices et des rayons, on peut faire en sorte que la courbe de dispersion chromatique présente trois passages par zéro, au lieu des deux passages par zéro possibles pour la fibre à double gaine de l'art anté- rieur, et qu'elle couvre la gamme désirée de longueurs d'onde qui comprend les longueurs d'onde de 1,3 et 1,55 pm. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente une fibre optique à double gaine (DG) de l'art antérieur; La figure 2 montre une courbe de dispersion chroma- tique caractéristique pour une fibre à double gaine; La figure 3 montre une fibre à quadruple gaine (QG) conforme à l'invention La figure 4 montre les variations de l'indice de groupe dans les fibres DG et QG; La figure 5 montre des courbes de dispersion chro- matique pour des fibres à quadruple gaine de différentes tailles; et La figure 6 montre des courbes de dispersion pour des fibres à simple, double et quadruple gaine. On va maintenant considérer les dessins sur lesquels la figure 1 montre une coupe d'une fibre optique à double gaine (DG) de l'art antérieur, 10, qui comprend une région de coeur 11 entourée par une première gaine intérieure 12 relativement mince et par une seconde gaine extérieure 13, plus épaisse Si on désigne par N l'indice de réfraction de la gaine extérieure, l'indice de réfraction N c du coeur est égal à N ( 1 + 6,), et l'indice de réfraction n, de la gaine intérieure est égal à N ( 1 +A 1) , en désignant par A et A, les différences relatives entre les indices de réfraction du coeur et de la gaine extérieure et entre les indices de réfraction des gaines intérieure et extérieure Le profil d'indice d'une telle fibre est ce qu'on appelle le "profil en W"', également représenté sur la figure 1, sur laquelle les différents indices sont représentés en fonction du rayon de la fibre, normalisé par rapport au rayon de la gaine intérieure, a. Pour une fibre qui est constituée par un coeur en silice dopée au germanium, par une gaine intérieure dopée au fluor et par une gaine extérieure en silice pure, R est avantageusement d'environ 0,7 et le rapport Aî/'c est avanta- geusement égal à 2 Pour une telle fibre, la dispersion chro- matique totale est faible sur la région de longueur d'onde désirée, entre 1,3 um et 1,55 pm. La figure 2, incorporée dans un but explicatif, mon- tre un ensemble de courbes de dispersion caractéristiques pour une fibre DG, comprenant une courbe de dispersion par la matière, 15, une courbe de dispersion par le guide d'onde, 16, et la courbe de dispersion chromatique totale résultante, 17, obtenue par sommation des courbes 15 et 16 En général, la courbe de dispersion totale pour une fibre DG peut avoir deux passages par zéro à des longueurs d'onde \ 1 et A 2 Pour cette fibre particulière considérée à titre d'exemple, ces passages par zéro se produisent à j = 1,35 m et à 1,63 pm Du fait de la valeur élevée de la dispersion par la matière a la plus grande longueur d'onde, le passage par zéro à j 2 est associé à une dispersion par le guide d'onde élevée de façon correspondante, qui apparaît près de la longueur d'onde de coupure du mode fondamental, co, approximativement égale à 1,7 pm Cette longueur d'onde est celle à laquelle l'indice de réfraction effectif devient inférieur à N A cette lon- gueur d'onde, l'onde de signal n'est plus guidée par la fibre mais, au contraire, rayonne à travers les gaines et est perdue. Pour assurer un fonctionnement à faible perte, doit être supérieure de 0, 1 pm à la plus grande longueur d'onde ayant un intérêt Sur la base de ce critère, les caractéristiques de dispersion chromatique totale qu'on peut obtenir avec les fibres à double gaine disponibles à l'heure actuelle, conçuespour avoir une faible dispersion sur la gamme comprise entre 1,3 et 1,55 pm, ne sont qu'à la limite de l'acceptable pour le fonctionnement près de 1,55 pm. Pour éviter les limitations et les inconvénients décrits ci-dessus de la fibre à double gaine de l'art anité- rieur, on ajoute deux gaines supplémentaires, conformément à l'invention, pour former une fibre à quadruple gaine, 20, représentée sur la figure 3 Cette fibre comprend une région de coeur 21 entourée par quatre couches de gaine 22, 23, 24 et 25, dans lesquelles la couche 22 est la première gaine, la plus intérieure, et la couche 25 est la quatrième gaine, la plus extérieure Si on désigne par N l'indice de réfrac- tion N de la gaine la plus extérieure 25, l'indice de réfraction du coeur N c et les indices ni, N 2 et N 3 des gaines respectives 22, 23 et 24 sont donnés par les relations n C = no (l+A c o c n 1 =n 'l-Al, n 2 =n ( 1 + 2) et N 3 =n ( 1-A) dans lesquelles A A t 2 et 3 sont les différences relati- ves entre les indices des parties respectives de la fibre et celui de la gaine la plus extérieure. Le profil d'indice pour la fibre QG est représenté sur la figure 3 en fonction du rayon de la fibre, normalisé par rapport au rayon R 1 de la gaine la plus intérieure, 22. Comme on peut le voir, les valeurs relatives des indices satisfont la relation: n C> N 2 > N 4 > N 3 >nl- Comme on l'a expliqué ci-dessus, à proximité de la coupure du mode fondamental, une faible variation de lon- gueur d'onde fait passer le signal d'un mode guidé à un mode à fuite qui rayonne vers la seconde gaine On peut expliquer la raison de ceci en se référant à la figure 4 qui montre l'indice de groupe effectif, N, en fonction de la longueur d'onde,A, pour les fibres DG, et les fibres QG Aux lon- gueurs d'onde les plus courtes, le signal est essentiellement guidé par un guide de lumière intérieur qui est formé par le coeur 21 et la première gaine 22 Par conséquent, on voit que 252331 6 l'indice de groupe effectif aux plus courtes longueurs d'onde, donné par la partie de courbe 43, est supérieur à l'indice du coeur, donné par la courbe 40 Aux plus grandes longueurs d'onde, une plus grande partie du champ de signal pénètre dans la première gaine et au-delà Ceci a pour effet de diminuer l'indice de groupe effectif Dans la fibre DG, l'indice de groupe devient finalement inférieur à celui de la gaine la plus extérieure (c'est-à-dire la seconde gaine), et le guide passe en coupure Ceci est indiqué par la partie de courbe 44 qui s'approche de la coupure, en Co' Au contraire, dans la fibre QG, l'énergie ondula- toire qui rayonne hors du coeur de la fibre est emprisonnée dans un guide de lumière extérieur formé par la seconde gaine 23 et par les première et troisième gaines 22 et 24 qui l'entourent La lumière qui est ainsi emprisonnée n'est pas perdue par rayonnement mais demeure guidée, bien que dans une partie différente de la fibre On voit que l'indice de groupe effectif, donné par la partie de courbe 45, passe d'une valeur supérieure à N à une valeur qui s'approche de celle c de l'indice de la seconde gaine, donné par la courbe 41 Comme on peut le voir, la courbe d'indice résultante pour la fibre QG comporte trois points de changement de sens de variation à des longueurs d'onde 1, A 2 et > 3 Dans la mesure o la caractéristique de dispersion chromatique totale est propor- tionnelle à la pente de la courbe d'indice de groupe, la dis- persion chromatique peut avoir trois points zéro, aux lon- gueurs d'onde t 1, 2 et ^, comme le montre la figure 5. Dans la conception d'une fibre QG, il y a neuf paramètres indépendants OCI ti$ 62 R et a. Le rayon de la gaine la plus extérieure n'est pas critique et on lui donne de façon caractéristique une valeur relativement grande, pour des raisons expliquées ci-après Un procédé généralisé pour calculer la caractéristique de dispersion chromatique totale pour un profil d'indice arbitraire est décrit dans un article de L G Cohen et col intitulé "Correlation Between Numerical Predictions and Measurements of Single- Mode Fiber Dispersicn Characteristics," publié dans le numéro du 15 juin 1980 de la revue Applied Optics, Vol 19, pages 2007-2010 En utilisant ce procédé pour la fibre QG, on obtient à titre d'exemple la série de courbes représentées sur la figure 5 Ces courbes particulières sont calculées pour les quatre valeurs différentes de 2 a indi- quées, et: Ac = 0,3 % Rc = 0,7 h = 0,6 % R 1 = 1,0 2 = 0,06 % R 2 = 1,7 3 = 0,12 % R 3 = 2,0. Une comparaison avec la courbe de dispersion pour la fibre DG, représentée sur la figure 2, montre qu la faible dis- persion pour la fibre QG existe sur une bande de longueurs d'onde beaucoup plus large En particulier, l'inclusion des deux gaines supplémentaires a pour effet d'ajouter un passa- ge par zéro supplémentaire A l'extrémité des courbes corres- pondant aux longueurs d'onde élevées, ce qui augmente nota- blement l'intervalle de faible dispersion L'amélioration dans la caractéristique de perte est également évidente Pour la fibre DG, la coupure se produit à environ 1,7 pm, tandis que la coupure pour la fibre QG (indiquée par les extrémités des courbes de dispersion) se produit au-dessus de 1,9 pm. Enfin, les courbes montrent que les caractéristiques de dis- persion sont relativement stables vis-à-vis des variations des paramètres de la fibre On peut par exemple comparer à ce titre les courbes pour 2 a = 13,1 pm et pour 2 a = 13,9 pm L'invention présente un intérêt particulier en relation avec les fibres unimodales et les fibres bimodales. (Voir le chapitre 3 de l'ouvrage intitulé Optical Fiber Telecommunications par S E Miller et A G Chynoweth, Aca- demic Press, 1979, et l'article de L G Cohen, et col inti- tulé "Propagation Characteristics of Double-Mode Fibers ", publié dans le numéro de juillet-août de la revue Bell System Technical Journal, Vol 59, N O 6, pages 1061-1072, en ce qui concerne de telles fibres) Les exigences de telles fibres doivent donc également être prises en considération dans la conception d'une fibre QG Par exemple, si on donne une valeur trop grande à à ou R -Ri, la fibre ne demeure pas 2 21 unimodale Si A ou R 3-R 2 est trop faible, la courbe de dis- persion aux plus grandes longueurs d'onde ne change pas suffisamment de direction pour obtenir le passage par zéro désiré à l'extrémité haute de la bande A cet égard, on peut définir une fonction (R 1 Rc) + 3 R 2) 3 2 R + (R 2 R 2)2 c c 2 1 2 qui doit être supérieure à l'unité pour obtenir un zéro à la plus grande longueur d'onde. Un avantage supplémentaire de l'invention consiste en ce que les pertes de courbure dans une fibre QG sont inférieures à celles dans une fibre DG. Des fibres conformes à l'invention peuvent être étirées à partir de préformes fabriquées par de nombreuses des techniques bien connues, comme par exemple le procédé de dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD) On peut utili- ser de façon similaire n'importe quels dopants de modifica- tion d'indice appropriés, ou une combinaison de dopants A titre d'exemples de dopants, on peut citer F (fluor), Ge (germanium) et P (phosphore) Dans des modes de réalisation qui ont donné satisfaction, la gaine la plus extérieure con- siste en silice (Si O 2) tandis que le coeur et la seconde gai- ne sont en silice faiblement dopée avec un dopant d'augmenta- tion d'indice (c'est-à-dire du germanium et/ou du phosphore dans les cas dans lesquels on désire déplacer le premier passage par zéro vers une plus courte longueur d'onde), et les première et troisième gaines sont en silice faiblement dopée avec un dopant de diminution d'indice (c'est-àdire du fluor). En plus des quatre couches actives, constituant des gaines pour le guidage d'onde, il peut exister des cou- ches de matières supplémentaires qui sont des sous-produits du procédé de fabrication ou qui sont incorporées pour des raisons non liées à la fonction de guidage d'onde de la fibre. Contrairement aux quatre gaines optiquement actives qui sont conçues de façon à avoir de très faibles pertes aux longueurs d'ondes intéressantes, de telles couches supplémentaires peu- vent avoir des pertes à ces longueurs d'ondes Par exemple, si on utilise le procédé MCVD, la gaine la plus extérieure sera entourée par le tube de départ de la préforme qui, bien qu'étant en silice, a de façon caractéristique des pertes élevées D'autres couches peuvent comprendre une couche de barrière pour empêcher la migration de radicaux OH vers la région de coeur Cependant, en donnant une épaisseur suffi- samment grande à la quatrième couche de gaine, ces gaines supplémentaires n'affectent pas les caractéristiques de gui- dage de lumière de la fibre et on peut les ignorer en ce qui concerne l'invention En résumé, pour élargir la gamme de longueurs d'onde sur laquelle une fibre optique a une faible dispersion chromatique de 1,3 et 1,55,um La figure 6, incorporée à titre de compa- raison, montre les courbes de dispersion 60, 61 et 62 pour une fibre unimodale à saut d'indice d'un type représentatif, une fibre à double gaine caractéristique et une fibre à qua- druple gaine Comme on peut le voir aisément, la largeur de bande de faible dispersion de la fibre QG est considérable- ment plus grande que celle des autres fibres. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Fibre optique comprenant une région de coeur ayant un indice de réfraction nc et un rayon Rc, caractérisée en ce que le coeur ( 21) est entouré par quatre couches de gai- ne ( 22, 23, 24, 25) ayant respectivement des indices de réfraction et des rayons (n 1, R 1), (n 2, R 2), (n 3, R 3) et (n 4, R 4). 2 Fibre selon la revendication 1, caractérisée en ce que les rayons des couches présentent la relation mutuelle suivante: R 4 > R 3 > R 2 > Ri, et les indices de réfraction pré- sentent la relation mutuelle suivante: nc >n 2 >n 4 >n 3 > N 1. 3 Fibre selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'expression: 2 _ 2 \ + 2 2 (R 1 RC a 1 + (R 3) 3 R 2 c + (R 2 R 12)2 c c 2 i 2 est supérieure à un; avec: n -n. n 4 N 2 2 N 4 n 4 N 3 2 = n 4 n 4 N 3 à 3 = N 4 n 4 -nc c N 4