Brevet FR2511777A1 — publié le 19830225

i La présente invention se rapporte à des fibres opticies à simple polarisation et plus particulièrement à des fibres optiques à simple polarisation dans lesquelles l'accroisse- ment de la perte de transmission de la lumière dans la bande à grande longueur d'onde est supprimée. * La Fig 1 est une vue en coupe montrant une fibre opti- -que à simple polarisation de type classique dans laquelle la transmission de la lumière se produit sans variation du plan de polarisation de mode simple et cette fibre optique à sim- ple polarisation comprend une âme Il ayant un indice de ré- fraction N 1, une gaine elliptique 12 ayant un indice de ré- fraction N 2 (ni > N 2) qui entoure ladite âme 11, un support 13 fait de verre de silice disposé sur la surface externe de ladite gaine elliptique 12, et une gaine plastique 14 qui constitue la couche extrême extérieure de la fibre optique. Les matériaux de l'âme Il et de la gaine elliptique 12 sont indiqués comme suit: Construction Matériaux Ame il (a) Si O 2 (b) Si O 2 + B 203 ( c) Sio 2 + Ge O 2 (d) Si O 2 + P 205 Gaine elliptique 12 (a) Si O 2 + B 203 (b) Si O 2 + Ge O 2 + B 203 Dans ces fibres optiques à simple polarisation, toute distorsion anisotrope résultant de la différence des coeffi- cients de dilatation thermique entre les matières de la gai- ne elliptique et du support 13 affecte l'âme 11, de sorte que la différence des constantes de propagation dans deux direc- tions perpendiculaires entre elles et perpendiculaires à la direction de la transmission peut être accentuée et, de cette façon, on peut réaliser la transmission de la lumière à mode unique sans variation du plan de polarisation. Toutefois, dans le cas de ces fibres optiques à simple polarisation de type classique, bien que l'on puisse réali- ser une transmission de la lumière avec une perte de trans- mission inférieure à une valeur prédéterminée dans la bande des courtes longueurs d'ondes, par exemple la longueur d'onde = 0,63 cm, au contraire, si la longueur d'onde | = en- viron 1,3 4 am, on constate que la perte de transmission ne- peut pas être réduite au-dessous de la valeur prédéterminée pour la raison suivante Les fibres optiques à simple pola- risation de type classique comportent une liaison B-O, due au B 203 contenu dans la gaine elliptique 12 et aux groupes OH qui diffusent du tube de verre de silice constituant le support 13 vers la gaine elliptique 12, par exemple à une haute température de dépôt par vaporisation de 1500 c ou plus, au moment o la matière de la gaine elliptique 12 est déposée par vaporisation-sur la surface interne du tube de verre de silice si les fibres optiques sont fabriquées, par exemple, par le procédé de dépôt par vaporisation par voie chimique. Par ailleurs, on constate également que la gaine ellip- tique 12 ne peut pas être mise à une forme ovale possédant une ellipticité prescrite, parce que la gaine elliptique a également tendance à prendre une forme circulaire en raison de sa propre tension superficielle si les fibres optiques à simple polarisation de type classique sont fabriquées dans par le procédé précité. Un but de l'invention est donc de réaliser des fibres optiques à simple polarisation dans lesquelles l'accroisse- ment de la perte de transmission de la lumière dans la bande des grandes longueurs d'onde soit supprimée. Un autre but de l'invention est de réaliser un procédé de fabrication de fibres optiques à simple polarisation dans lequel l'ellipticité de la gaine elliptique résultante puisse être réalisée à une valeur prescrite appropriée. Un autre but de l'invention est de créer un procédé de fabrication de fibres optiques à simple polarisation dans le- quel le dépôt par vaporisation puisse être exécuté à une tem- i pérature o la diffusion des groupes OH issus du tube de ver- re de silice dans la matière de la gaine elliptique soit ré- duite lorsque la matière de la gaine elliptique est déposée par vaporisation sur la surface interne du tube de verre de silice conformément au procédé de dépôt par vaporisation. La fibre optique à simple polarisation suivant l'inven- tion comprend une âme circulaire ayant un premier indice de réfraction prédéterminé, une gaine elliptique ayant un deu- xième indice de réfraction prédéterminé qui est plus petit que le premier indice de réfraction précité et qui contient du 3 82 destiné à diminuer l'indice de réfraction et du P 205 destiné à abaisser la température de ramollissement et la viscosité avec une certaine concentration totale de subs- tances dopantes B 203 et P 205, et un support fait de verre de silice. Le procédé de fabrication de fibres optiques à simple polarisation suivant l'invention comprend les phases dans lesquelles on dépose par vaporisation Si O 2 + P 205 + B 203 qui formera une gaine elliptique sur la surface interne d'un tube de verre de silice à une température prédéterminée, à la- quelle la diffusion des groupes OH issus du tube de verre de silice dans la gaine elliptique est réduite, on dépose par vaporisation une matière d'âme sur la surface interne de la gaine elliptique résultante, on aplatit le tube de verre de silice sur lequel le dép 8 t par vaporisation des matières pré- citées a été ainsi exécuté, avec un taux prédéterminé de ré- duction de la pression; et on étire à chaud le tube de verre de silice aplati résultant en tirant parti de la différence de viscosité entre la matière du tube de silice support et la matière de la gaine elliptique au moment du ramollissement et de la fusion, pour déterminer de cette façon l'ellipticité de la gaine elliptique précitée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple. la Fig 1 est une vue en coupe montrant une fibre opti- que classique du type à simple polarisation; la Fig 2 est une vue en coupe montrant une première Lorme de réalisation de la fibre optique du type à simple polarisation suivant l'invention; la Fig 3 est une vue en coupe montrant une deuxième forme de réalisation de la fibre optique du type à simple po- larisation suivant l'invention;- la Fig 4 est une vue explicative illustrant un procédé pour déposer des matières par vaporisation sur la surface in- terne d'un tube de verre de silice dans le procédé de fabri- cation des fibres optiques à simple polarisation suivant l'invention; la Fig 5 est une vue explicative illustrant un procédé pour aplatir un tube de verre de silice sur lequel le dépôt de matière par vaporisation a été exécuté, au moyen d'une ré- duction de pression, dans le procédé de fabrication des fi- bres optiques à simple polarisation suivant l'invention; la Fig 6 est une représentation graphique montrant 1 ' indice de réfraction dans la direction diamètrale de la fibre optique à simple polarisation suivant l'invention; les Fig 7 et 8 sont des représentations graphiques dont chacune montre un exemple de la concentration des substances dopantes dans la direction diamètrale de la fibre optique à simple polarisation suivant l'invention; et la Fig 9 est une représentation graphique qui montre la relation entre l'ellipticité et la longueur d'onde de la fibre optique à simple polarisation suivant l'invention. La Fig 2 montre une première forme de réalisation de la fibre optique à simple polarisation suivant l'invention; sur cette Fig la référence 21 désigne une âme circulaire, faite de préférence de verre de Si O 2, ou de verre de Si O 2 + Ge O 2, 22 désigne la gaine elliptique faite de verre de Si O 2 +P 205 B 203, 23 désigne un support fabriqué à partir d'une matière de dé- part constituant un tube de silice et 24 désigne une gaine en matière plastique La gaine elliptique 22 peut être directe- ment placée sur la face externe de l'âme 21 mais elle peut également être dispos B 203 et P 205 est compris dans l'intervalle de 1: 1 à 1: 1,2. Dans la fibre optique du type à simple polarisation tel- le que celle décrite ci-dessus, au moment o le film de verre qui formera la gaine elliptique est formé sur la face interne du tube de silice constituant la matière de départ, la tempé- rature peut être réduite, par exemple à environ 1400 à 1500 o C lorsque la fibre optique est fabriquée de telle manière que la diffusion des groupes OH issus du tube de silice dans la matière de la gaine elliptique puisse également être réduite. Plus précisément, les températures de ramollissement du verre, obtenues avec des substances dopantes qu'on ajoute en vue d'établir des différences d'indice de réfraction par rap- port à l'indice de réfraction du verre de Si O 2 sont celles indiquées au Tableau 1, o les valeurs numériques entre paren- thèses indiquent les proportions en moles % de substances do- pantes ajoutées. TABLEAU 1 Différence d'indice de V ér_, fraction dû N o 0,05 % 0,I % 0,5 % Verre Si 02 + P 205 1405 O 1230 C - Si O 2 +5 ( 1) ( 2) Sio 2 + Ge O 2 1576 C 1558 O ( 1.2) ( 6) Si 02 + B 203 1560 C 1540 C 1380 O ( 1) ( 2) ( 10) Si O 2 + P 205 + B 203 13500 C ( 10) Il ressort du Tableau 1 que P 205 ou Ge O 2 ont pour effet d'augmenter l'indice de réfraction du verre résultant tandis que B 203 a pour effet de diminuer l'indice de réfraction du verre résultant En se basant sur ce fait, on cherché dans la présente invention à rendre l'indice de réfraction de la gai- ne elliptique 22 plus petit que celui de l'âme 21 en agissant sur la quantité de B 203 et, d'autre part, on peut abaisser la température de ramollissement de la matière de la gaine elliptique 22 en agissant sur la quantité de P 205 à ajouter. Il ressort de ce qui précède qu'un accroissement de tem- pérature d'environ 200 C au-dessus de la température de ra- mollissement est suffisant pour provoquer une réaction chimi- nue au cours de la fabrication des fibres optiques dans le procédé par vaporisation par voie chimique, de sorte que l'on peut éviter la diffusion des groupes OH issus du tube de si- lice en adoptant la construction représentée sur la Fig 2. La Fig 3 montre une deuxième forme de réalisation de la fibre optique à simple polarisation suivant l'invention; ici, la référence 31 désigne une âme circulaire faite de préféren- ce de verre de Si O 2 + Ge O 2 ou équivalent, 32 un revêtement ayant une section circulaire et fait de verre de Si O 2 de hau- te pureté, 33 une gaine elliptique essentiellement constituée de verre de Si O 2 + P 205 + B 203 34 un support contenant Si O 2 comme composant principal et 35 une gaine plastique. Dans la fibre optique à simple polarisation de la deu- xième forme de réalisation, on agit de telle manière que l' épaisseur du revêtement circulaire 32 soit au moins égale à 1,5 fois le rayon de i'âme 21 mais plus petite que le diamètre de l'âme 31 et, en même temps, de manière que l'indice de ré- fraction de la gaine elliptique 33 soit plus grand que celui du revêtement circulaire 32 et plus petit que celui de l'âme 31. Dans le cas d'une fibre optique à simple mode, la compo- sante du champ électromagnétique fuit dans le revêtement en raison de la fluctuation de la fréquence nominale, contraire- ment au cas d'une fibre optique à mode multiple, de sorte que la constitution du revêtement 32 constitue un paramètre im- portant A cet égard, si le revêtement 32 composé de Si 02 de haute pureté est épais, l'influence du 3203 contenu dans la gaine elliptique 33 est réduite Comme le montrent les expé- riences, lorsque l'épaisseur de revêtement circulaire 32 est plus grande que le rayon de l'âarme 31, comme dans le cas pré- cité, l'accroissement de la perte aux longueurs d'ondes de la bande de 1,3 N devient négligeable. Par ailleurs, pour éviter la diffusion de la liaison B-0 issue de la gaine elliptique 33, il est plus avantageux que le revêtement 32 soit épais mais, lorsque le revêtement 32 est d'une épaisseur supérieure au diamètre de l'âme 31, il devient difficile D'augmenter l'ellipticité de la gaine ellip- tique 33, de sorte qu'il n'est pas possible d'obtenir les ca- ractéristiques avantageuses de polarisation simple. Cependant, dans une fibre optique à mode simple, même si l'épaisseur de revêtement circulaire 32 est prédéterminée comme on l'a mentionné plus haut, la longueur d'onde de cou- pure varie au moindre changement du diamètre de l'âme et de l'indice de réfraction et il en résulte que la fréquence no- minale de la longueur d'onde active varie, de sorte qu'on atteint le cas o la composante du champ électro-magnétique fuit occasionnellement dans la gaine elliptique 33 Si cette composante du champ électro-magnétique est le mode de trans- mission, une partie de l'énergie de l'onde est absorbée par la gaine elliptique, ce qui se traduit par un accroissement de la perteode transmission. Pour éviter cet accroissement de la perte de transmis- sion, on rend le mode indésirable susceptible de fuite et, en même temps, on rend l'indice de réfraction de la gaine ellip- tique 33 plus grand que celui du revêtement 32, de manière qu'il soit capable de ne transmettre qu'un mode prédéterminé, de telle manière que la composante du champ électro-magnétique se concentre dans la partie centrale de l'âme 31. j O Les résultats des mesures exécutées sur des fibres opti- ques d'une fabrication expérimentale sont les suivants Une valeur était de 0,7 d B/km à = 1,2/,m et cette valeur était de 0,8 d B/km, même à _ = 1,3 vm. L'ellipticité ú de la fibre optique de la fabrication expérimentale était ú = 60 % et la longueur de couplage était d'environ 4 mm (À = 1,3,am). La définition de E est donnée par l'équation Grand axe petit axe ú = x 100 oo (s), Grand axe + petit axe et il est préférable que soit dans *'intervalle de 40 à 60 Ainsi qu'on l'a décrit plus haut, on peut éviter un ac- croissement de la perte de transmission dans la bande des grmandes longueurs d'ondes (d'une longueur d'onde 4 = envi- ronron 1,3,,/m) avec la fibre optique à simple polarisation suivant l'invention. On décrira ci-après un mode de mise en oeuvre du procédé de fabrication des fibres optiques à simple polarisation sui- vant l'invention en se reportant respectivement aux Fig 4 et 5. On dépose un film 43 de verre du type de composition Si 02 + P 205 + B 203 sur la surface interne d'un tube de verre de silice transparent 44 qui possède un diamètre extérieur de 18 mm et une épaisseur de 1,5 mm Dans ce cas, il est néces- saire, pour des raisons indiquées plus bas, que la quantité totale de P 205 et B 203 dans le film de verre soit de 5 à 20 moles % (le rapport molaire de B 203 P 205 étant de 1: 1 à 1: 1,2 ainsi qu'on l'a indiqué plus haut) et le reste est composé de Si O 2 mais, dans cette forme particulière de réali- sation on a formé un film de verre 43 contenant 12 moles % de P 205 + B 203 23 Ensuite, on dépose un film de Si O 2 de haute pureté sur la surface du film de verre 43 résultant, sous une épaisseur d'environ 10/m, et on dépose un film de Si O 2 + Ge O 2, qui est destiné à former l'âme, sur le film de Si 02 de haute pureté précité, sous une épaisseur d'environ 5 zm. Sur les Fig 4 et 5, la référence 45 désigne un tour et la référence 46 désigne un chalumeau. Ensuite, on scelle une extrémité du tube de verre 54, on abaisse la pression intérieure du tube de verre à 5 mm H 20, au moyen d'une pompe à vide 57, en agissant par l'autre ex- trémité du tube de verre 54, on chauffe ce tube de verre au moyen d'un chalumeau oxhydrique 46 pour le porter à une ten- pérature d'environ 1900 C (à l'intérieur du tube de verre 54, on atteint une température de réaction de 1400 à 1500 C), la vitesse de déplacement du chalumeau 46 est réglée sur mm/mn, de sorte que le tube de verre 54 s' aplatit pour prendre une forme telle qu'il ne reste pas d'espace vide à l'intérieur (la référence 54 désigne le tube de verre 44 sur lequel les films prescrits ont été déposés dans la phase pré- cédente). L'ébauche solide ainsi obtenue est ensuite soumise a un étirage à chaud pour obtenir une fibre optique du type à sim- ple polarisation Sa référence 58 désigne un manomètre. La Fig 6 est une représentation graphique qui illustre la répartition de l'indice de réfraction dans une coupe de la fibre optique résultante et la Fig 7 est également une représentation graphique illustrant la distribution des con- centrations des substances dopantes (constituants autres que Si 02 destinés à agir sur l'indice de réfraction). Dans le procédé de fabrication des fibres optiques sui- vant l'invention, on a obtenu des fibres optiques du type à polarisation à simple mode ayant chacune une longueur d'onde de coupure de 1,2/m,avec une différenoe d'indice de réfraction A N 1 = 0,35 % entre l'âme et le revêtement circulaire, une différence d'indice de réfraction A N 2 = 0,05 % entre la gaine elliptique et le revêtement circulaire, un diamètre d' âme de 8,Am et une épaisseur de revêtement circulaire de 4,úm. Dans cette forme de réalisation, la concentration de substances dopantes contenue dans la gaine elliptique est diamétralement constante mais on peut la modifier diamètrale- ment comme on l'a représenté sur la Fig 8. Si, cette concentration est modifiée diamètralement, un paramètre important consiste dans la valeur choisie pour le maximum de concentration En tout cas, l'important est que la quantité de substances dopantes dans la gaine elliptique soit ajustée sur 5 à 20 moles % En effet, il est nécessaire de réduire la viscosité de la matière afin de réduire sa tension superficielle et pour que la gaine elliptique prenne une for- me ovale qui présente l'ellipticité prescrite tout en conser- vant une forme circulaire à l'nâme intérieure et au revêtement. Pour cette raison, une proportion de 5 à 6 moles D% de subs- tances dopantes est le minimum pour donner la viscosité maxi- mum critique et, si la quantité de substances dopantes est de moins de 5 à 6 moles %, la viscosité croît, de sorte qu'il est alors difficile de donner une forme ovale à la gaine el- liptique Par ailleurs, 18 à 20 moles %o est une proportion maximum de substances dopantes pour obtenir la viscosité mi- nimum critique à laquelle la couche de verre de Si 02, qui possède un point de fusion plus élevé, peut être déposée sur le dépôt formant la gaine elliptique En d'autres termes, si le verre de Si 02 + P 205 + 3203 contient plus de 20 moles % de P 205 + B 203, son point de fusion et sa viscosité devien- nent remarquablement bas De ce fait, ce verre s'allie for- tement au liquide à la température de réaction pour former un film de Si 02 de haute pureté sur le verre, de sorte que le film prévu pour former la gaine elliptique se déforme sous le passage du chalumeau et que la fabrication des fibres op- tiques devient difficile. La Fig 9 est une représentation graphique qui illustre respectivement les relations liant l'ellipticité d'une part et la longueur de couplage d'autre part à la quantité de substances dopantes contenues dans la gaine elliptique. A une concentration de substances dopantes déterminées, cette ellipticité peut être réglée par la valeur de la réduc- tion de pression qu'on établit au moment de l'aplatissement du tube. On peut réaliser une ellipticité de 40 % en ajustant la concentration de substances dopantes soit à 5 moles % pour une valeur de réduction de pression de 12 mm H 20, soit à 20 moles % pour une valeur de réduction de pression de 0,5 mm H 20. Suivant les expériences de la demanderesse, une relation appropriée entre la concentration de substances dopantes et la valeur de la réduction de pression est celle qui est indi- 1 1 quée au Tableau 2 mais les fibres optiques sont plus faciles à fabriquer dans un intervalle de concentrations de substances dorntes d'environ 8 à 15 moles -. TABLEAU 2 Concentration de Valeur appropriée de la substance dorante réduction de pression 8 moles % 5,0 15,0 mm H 20 8 -11 moles %f 2,0 9,0 mm H 20 11 -12 moles % 0,5 6,0 mm H 20 Il va de soi que les intervalles de valeurs indiquées au Tableau 2 sont celles qui ont été obtenues expérimentalement et dans les limites desquelles la fabrication des fibres op- tiques est convenablement réglée Toutefois, ceci ne signifie pas que les fibres optiques suivant l'invention ne puissent pas être fabriquées dans des intervalles de valeurs autres que ceux qui ont été définis plus haut. La demanderesse a vérifié qu'il existe une valeur cri- tique de la réduction de pression et qu'il est difficile de maintenir l'âme à une forme absolument circulaire, par exem- ple si la réduction de pression excède 15 mm H 20 et, quelque- fois, on risque de rendre l'âme ovale au moment de la forma- tion de la gaine elliptique En ce qui concerne ces valeurs, on dispose d'une certaine marge pour effectuer des modifica- tions dans une certainè proportion si l'on travaille un tube de départ en silice ou si l'on modifie la dimension ou la forme de ce tube mais ces valeurs ne sont pas remarquablement changées fondamentalement. Une autre condition, en dehors de celles qui ont été énumérées plus haut, et qui doit être remplie pour la fabri- cation des fibres opticues suivant l'invention consiste dans la vitesse de déplacement du chalumeau, qu'on va maintenant décrire. En effet, il est nécessaire de régler la vitesse de dé- placement du chalumeau sur une valeur d'environ 2,5 à 12 mm/mn Si cette vitesse s'écarte considérablement de l'intervalle "',récit, il devient difficile d'atteindre le but de l'inven- tion, qui consiste à rendre la gaine elliptique ovale tout er maintenant circulaire l'âme et la forme extérieure de la fibre optique. REEDC ATIO 07 Fibre optique à simple polarisation, caractérisée en ce qu'elle comprend une Ame circulaire ( 21) possédant un premier indice de réfraction prédéterminé; une gaine ellipti- que ( 22) disposée sur la surface externe de cette âme circu- laire, qui possède un deuxième indice de réfraction porgdeter- miné, plus petit que le premier indice de réfraction et con- tient du B 203 destiné à réduire l'indice de réfraction et du P 205 destiné à abaisser la température de ramollissement et la viscosité, en respectant une certaine valeur pour la con- centration totale des substances dopantes B 203 et P 205; et un support ( 23) fait de verre de silice placé sur la surface externe de la gaine elliptique. 2 Fibre optique à simple polarisation suivant la re- vendication 1, caractérisée en ce que la gaine elliptique ( 22) contient 5 à 20 moles % de B 203 et de P 205 3 Fibre optique à simple polarisation suivant la re- * vendication 1, caractérisée en ce que le rapport liant les proportions de B 203 et de P 20 contenues dans la gaine ellip- tique ( 22) exprimé en moles %, est compris dans l'intervalle de 1: 1 à 1: 1,2. 4 Fibre optique à simple polarisation, caractérisée en ce qu'elle comprend une âme circulaire ( 21) possédant un premier indice de réfraction prédéterminé, un revêtement cir- culaire placé sur la surface externe de l'âme circulaire et possédant un deuxième indice de réfraction prédéterminé plus petit que le premier; une gaine elliptique ( 22) placée sur la surface externe du revêtement circulaire et possédant un indice de réfraction plus petit que le premier indice de re- fraction ma'is plus grand que le deuxième et qui contieiit du B 203 destiné à diminuer l'indice de réfraction et du P 205 destiné à abaisser la température de ramollissement et la viscosité et, en respectant une valeur donnée pour la concen- tration totale des substances dopantes B 203 et P 20 et un support ( 23) fait de verre de silice et placé sur la surface externe de ladite gaine elliptique ( 22). Fibre optique à simple polarisation suivant la re- vendication 4, caractérisée en ce cue ledit revvtement circu- laire oossède l'épaisseur supérieure à 1,5 fois le rayon de "'âme et inférieure au diamètre de l'a'me. 6 Fibre optinue à simple polarisation suivant la re- vendication 4, caractérisée en ce que ladite gaine elliptique ( 22) contient 5 à 20 moles % de B 20 et de P 205. 7 Fibre optique à simple polarisation suivant la re- vendication 4, caractérisée en ce que le rapport liant les proportions de B 20 et de P 205 contenus dans la gaine ellip- tinue ( 22) exprimé en moles %, est compris dans l'intervalle allant de 1: 1 à 1: 1,2. 8 Procédé de fabrication d'une fibre optique à simple polarisation, caractérisé en ce qu'il comprend les phases dans lesquelles: on forme un film de verre qui est destiné à former une gaine elliptique ( 22) et qui contient des subs- tances dopantes B 203 et PI 205, et un autre film de verre des- tiné à former l'âme ( 21) sur la surface interne d'un tube de verre de silice qui est lui-même destiné à former un support ( 23); on soumet le tube de verre de silice à une réduction de pression, la valeur de cette réduction de pression étant fonc- tion de la concentration desdites substances dopantes, pour aplatir le tube; et on étire à chaud le tube de verre de si- lice ainsi aplati. 9 Procédé de fabrication d'une fibre optique à simple polarisation suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la concentration des substances dopantes est comprise dans l'intervalle de 5 à 20 moles % et que la valeur de la réduction de pression est comprise dans l'intervalle de 0,5 à 15 mm H 20.