Brevet FR2519774A1 — publié le 19830718

yl 2519774 FIBRES O Pr IQIJES A GRANDE BANDE PASSA Nr E La présente invention concerne les systèmes de transmission à fibres optiques et, plus particulièrement, des fibres optiques multimo- des à faible atténuation et à faible dispersion. Il est connu d'utiliser des fibres optiques dites "à saut d'indice" comprenant une zone centrale ou âme, entourée d'une couche concentrique d'indice de réfraction inférieur Les signaux optiques se propagent dans l'âme d'un bout à l'autre de la fibre grâce aux multi- ples réflexions totales qu'ils subissent à l'interface de l'âme et de la couche externe. Ces fibres, généralement en verres de silice de très grande pureté, présentent de ce fait une très faible atténuation du signal op- tique transmis; malheureusement elles sont à l'origine d'une déforma- tion non négligeable dudit signal. En effet, dans le cas d'une fibre à modes multiples, les si- gnaux d'entrée envoyés au temps tl vont suivre des parcours différents, ce qui, dans un milieu d'indice constant, va se traduire à la sortie par des signaux échelonnés sur une durée t 2, t 2 + ht. Cette dispersion temporelle limite le nombre d'informations susceptibles d'être transmises par unité de temps Cette propriété dé- finit ce que l'on appelle la bande passante, qui, pour ce type de fi- bre, ne dépasse pas quelques dizaines de mégahertz kilomètre. Pour atténuer cet inconvénient, il est connu d'utiliser des fibres optiques dont l'indice de réfraction décroît selon une loi para- bolique, depuis l'axe jusqu'à la périphérie En principe, un tel profil d'indice de réfraction permet aux signaux de se propager à des vitesses différentes selon leur mode de parcours, ce qui a pour effet d'éliminer la dispersion temporelle et donc de fournir des bandes passantes théo- riquement infinies; en pratique la dispersion n'est pas nulle mais les bandes réellement obtenues sont généralement supérieures à 4 à 500 M Hz km et peuvent meme dépasser le gigaliertz km. Ces deux catégories de fibres se distinguent également au plan économique: les fibres à saut d'indice sont obtenues à partir de préformes fabriquées à des coûts relativement mrod 6 rés, alors que les fibres à profil parabolique nécessitent la mise en oeuvre de procédés 259 '774 longs et onéreux. La présente invention a pour objet des fibres optiques qui réunissent à la fois les avantages économiques conférés par les procé- dés de fabrication des fibres à saut d'indice, et les caractéristiques techniques des fibres à profil parabolique. La présente invention a pour objet des fibres optiques qui sont constituées d'un coeur cylindrique à indice de réfraction constant entouré d'une gaine d'indice variable, et dont les dimensions radiales ainsf que les variations d'indice de réfraction sont régies par des re- lations mathématiques déterminées comme on le verra ci-après. La nature du profil d'indice de réfraction des fibres opti- ques selon l'invention et les avantages conférés par ledit profil sont exposes en détail ci-après en se référant aux figures jointes au pré- sent mémoire, et selon lesquelles: La figure 1 est une représentation schématique en coordon- nées réelles du profil d'indice de réfraction d'une fibre selon l'in- ventioin, La figure 2 est une repréesentation en coordonnées réduites du profil d'indice de réfraction d'une fibre selon l'invention, La figure 3 est la représentation graphique de la relation qui lie le saut d'indice An exprime en coordonnées réduites et le rap- port des rayons de l'âme et de la gaine, Les figures 4, 5 et 6 sont des représentations graphiques de'la fonction de transfert en fonction de la fréquence, pour une sour- ce lambertienne. Les figures 7 et 8 représentent l'une en coordonnées rédui- tes, l'autre en coordonnées réelles, le profil d'indice de réfraction d'une fibre selon l'exemple n l. Selon le graphique représenté à la figure 1, qui montre en coordonnées réelles les variations de l'indice de la fibre en fonction du rayon r, fl apparaît, qu'en substance, les fibres optiques selon l'invention sont constituées d'une âme cylindrique de rayon ao présen- tant un indice de réfraction no, entourée par une gaine de rayon a o l'indice de réfraction varie continûment de l'âme jusqu'à la périphérie d'une valeur N 1 à une valeur inférieure ne La transition entre l'âme et la gaine s'effectue par un saut d'indice N = no N 1 dont la valeur est fonction du rapport ao Afin d'exposer la portée g 6 N 6 rale de l'invention il est utile de passer par l'intermédiafre de coordonnées réduites, tant pour expri- mer les différentes relations qui définissent le profil d'indice de ré- fraction des fibres optiques selon l'invention, que pour en donner certaines représentations graphiques. Ainsi dans la suite de la description on utilisera les nota- tions réduites suivantes: Les distances radiales, qui sont représentées en abscisses dans, les graphiques, sont exprimées par: X =_ x variant de O à 1. Les variations d'indice de réfraction, représentées en ordon- nées dans les graphiques, sont exprimées par: U =no 2 N 2 no 2 ' ne 2 no = indice de réfraction de l'âme de la fibre ne = indice de réfraction à la periphérie de la gaine Dans ce système le saut d'indice de réfraction est symbolisé ao Q par Eo et a lieu pour Xo = a À La figure 2, utilisant ces notations, donne une autre reprê- sentation du profil d'indice de réfraction des fibres optiques selon l'invention Ces fibres se caractérisent par un profil d'indice de r 4- fraction qui est régi par les relations suivantes: -UT'_-=ó'+ Arc sin ( 2 E 1) + 2 (z 2 ( 1) xo 2 O- E O ( 1) x (u) = l Arc sin 2 ( 2) 1) +T Sachant que pour x La relation qui existe entre Eo et xo est représentée graphi- quement par la courbe de la figure 3. Lorsque les relations ( 1) et ( 2) sont satisfaites, on démon- tre par le calcul, en se plaçant dans le cas d'une injection lamber- tienne des rayons lumineux à l'entrée d'une fibre d'un kilomètre de longueur, que le module de la fonction de transfert en fonction de la fréquence reste supérieur à 0,5 pour des valeurs de x O inférieures à 0, 83. Cette variation de la fonction de transfert est représentée graphiquement pour trois valeurs de x O (figures 4, 5 et 6). 2519 ? 74 Dans les trois cas figurés on constate effectivemient que la fonction de transfert reste supérieure à 0,5 quelle que soit la fré- quence et donc, qu'en théorie, la bande passante est infinie. Toutefois ces représentations montrent que la courbe se rap- proche d'autant plus de la valeur critique de 0,5 que le rayon de l'âme augmente par rapport au rayon de la gaine A cet égard le module de la fonction de transfert correspondant à xo = 0,829 constitue un exemple limite Au-delà de cette valeur, les fibres optiques correspondantes présentent une bande passante, exprimée en M Hz km égale à la fréquence o la fonction de transfert est égale à 0,5; ceci se produit pour une fréquence égale ou inférieure à une trentaine de M Hz km. Pour obtenir des fibres optiques dont la bande passante est élevée, i 11 convient de respecter la condition suivante: xo La fabrication des fibres selon l'invention passe donc néces- sairement par la definition de ses paramètres de structure. Ainsi, après avoir choisi l'indice de r 6 fraction de l'âme, no, celui de la périphérie de la gaine, ne, et le rapport xo, on procè- de aux calculs suivants: Dans une première phase on détermine le profil de la fibre en coordonnées réduites En appliquant la relation ( 1), ou en utilisant la courbe de la figure 3, on détermine Eo; puis en appliquant la relation ( 2) on calcule point par point le profil de la gaine x(u). Dans une deuxième phase on définit la fibre optique en va- leurs réelles d'indice de réfraction et de rayon. On calcule tout d'abord l'indice de réfraction nl, définis- sant le saut d'indice, par la relation: n 12 = no 2 Eo (no 2 ne 2) ( 4) Puis on calcule point par point le profil réel de la gaine grâce à la relation suivante: n 2 = no 2 u (n O 2 ne 2) ( 5) Les paramètres de structure étant ainsi définis, la fibre op- tique peut être fabriquée par tout procédé approprié connu de l'homme de l'art ainsi qu'il ressort des exemples donnés ci-après: Exemple N O 1 La fibre optique choisie est constituée d'un coeur en silice synthétique pure, d'indice de réfraction no = 1,4585, entouré d'une gaine en silice dopée au fluor dont l'indice de réfraction décrolt jusqu'à sa périphérie pour atteindre la valeur ne = 1,4530 Le diamètre de la fibre sera de 200 im et c'-:1 t du coer-r ie 68,5 pm On en déduit xo = 0,3426. D'après la relation ( 1) on déduit Eo = 0,05 et d'après la re- lation ( 2) on calcule la courbe x(u), par exemple pour x = 0,5, u = 0, 2086 et pour x = 0,9, u = 0,8004 On obtient le profil d'indice de la fibre en coordonnées réduites ainsi que le représente la figure 7. On détermine ensuite le profil réel d'indice de réfraction de la fibre en appliquant les relations ( 4) et ( 5) On déduit N 1 = 1,4582 et la variation d'indice de la gaine, par exemple pour x = 0,5 ou r = 43,8 jum, N = 1,4573; pour x = 0,9 ou r = 78,7 pm, N = 1,4541 Ce profil réel est représenté à la figure 8. La fibre ainsi définie est obtenue par étirage d'une préforme fabriquée selon un procéd 6 de dépôt de vapeurs chimiques (CVD), tel que décrit ciaprès: On place un tube de verre de silice sur un tour verrier équi- pé d'un chalumeau oxhydrique; ce tube, long de 1500 mm, présente un diamètre externe de 18 mm et un diamètre interne de 15 mm. Dans une première phase, on envoie dans ce tube un mélange gazeux de tétrachlorure de silicium, d'hexafluorure de soufre et d'oxygène Le profil d'indice de réfraction de la gaine est réalisé en modifiant la teneur du mélange en hexafluorure de soufre au cours du dépôt, selon des méthodes connues de l'homme de l'art L'épaisseur de la couche déposée à l'issue de cette première phase est de 1,04 mm. Au cours d'une seconde phase on dépose une couche de silice pure, de 0,16 mm d'épaisseur, obtenue par réaction du mélange tétra- chlorure de silicium-oxygène. Le tube ainsi préparé est transfor par chauffage sous vide en une baguette pleine, de 12,85 mm de diamètre. La couche externe de cette baguette, constituée par la paroi du tube initial, est éliminée par rectification puis attaque par l'aci- de fluorhydrique. Après poli à la flamme on obtient une baguette, ou préforme, de 8,13 mm de d 1 amntre, renfermant un coeur en silice pure de 2,83 mm. La fibre optique 'étire à partir de cette préforme est enfin revêtue d'une couche de protection selon les techniques cononues. A la longueur d'onde de 1300 nanortres, la fibre obtenue présente une atténuation de 2,5 d B/km et une bande passante supérieure à 1 GHC Bz km. 19174 Exemple n _ 2 _ La fibre optique choisie est constitune d'un coeur en silice synthétique pure, d'indice de réfraction no = 1,4585, -ntouré d'une. gaine en silice dopée au fluor dont l'indice de réfraction cteroft jusqu'à sa périphérie pour atteindre la valeur ne = 1,4439. Le diamètre de la fibre sera de 160 jim et celui du coeur de )Xm. Comme dans l'exemple précédent on détermine l'indice N 1 = 1,4569 et le-profil d'indice de la gaine. La fibre optique ainsi définie est obtenue par {tirage d'une préforme fabriquée selon le procédé suivant: Dans une première phase on fabrique un lingot de silice syn- thétique pure par dép 8 t axial de particules de silice sur une ébauche el rotation Ces particules sont obtenues par injection d'un mélange gazeux de tétrachlorure de silicium et d'oxygène, dans la flamme d'un brûleur à plasma inductif Après rectification et nettoyage superficiel a l'acide fluorhydrique dilue, on obtient un lingot cylindrique de 40 ma de diamètre et de 500 mm de long. Dans une deuxième phase le lingot est monté sur un tour ver- rier et soumis a un mouvement de rotation et à un mouvement de va-et- vient transversal à la flamme du brûleur à plasma inductif Dans ces conditions on effectue un ddpôt latéral de silice dopée au fluor, grâce a la réaction dans la flamme du plasma d'un mélange de tétrachlorure de silicium, d'hexafluorure de soufre et d'oxygène Le profil d'indice du revêtement latéral est obtenu en modifiant la teneur du mélange en hexafluorure de soufre. Le procédé de fabrication appliqué dans cet exemple est no- tamment décrit dans la demande de brevet français publié sous le nunmro 2.432 478. La transformation à haute température du lingot en préforme dans un four à induction, puis l'étirage de ladite préforme conduisent a une fibre optique qui préscnte une atténuation inf Erie-re à 3,5 d B/km et une bande passante supérieure à 700}Hz km, pour la Icngueur d'onde de 820 nanomètres. Le saut d'indice de réfractiontn = no nl doit être effec- tue avec précision; tout écart entre le An théorique et le in réel peut conduire à une diminution considérable de la bande passante ainsi que le montrent les essais suivants: La fibre optique décrite dans l'exemple n O 2 doit presenter un 25197 i Z 74 saut d'indice àn = 0,0016 A partir de cette référence ont été fabri- quées d'autres fibres optiques qui présentent le même xo mais dont le An est supérieur ou inf 6 rieur à 0,0016. L'influence des variations de An sur la bande passante mesu- rée à 820 nanomètres est résumée dans le tableau ci-après: TABLEAU I L L Il ressort l I I I l I L I 1 ressort L N x 104 I 28 I 23 I 12 1 9 l 4 1 de ce tableau B.P (M Hz) l I' I 300 I > 700 600 I 300 J qu'une erreur i relative de 25 Z sur le saut d'indice diminue la valeur de la bande passante à 600 M Hz, dans la configuration de la fibre proposée. Il n'est évidemment pas possible de présenter les calculs complets pour toutes les fibres appartenant au domaine de l'invention. Toutefois, pour souligner l'importance de An sur les caractéristiques des fibres, le tableau ci-après indique l'erreur relative à ne pas dépasser pour conférer aux fibres définies par nn N = 1 % une bande passante au moins égale à 600 M Hz km no TABLEAU II x O f erreur sur An | 1 0,20 J 0,38 J 0,40 J 0,50 0,60 J 0,70 1 0,80 A travers cette série I _ (z I 47 l I 38 l 31 I I 25 1 I 19 l I 149 I d'exemples il ressort dice doit être d'autant mieux effectué que le rayon par rapport au rayon de la gaine. que le saut d'in- du coeur augmente 2519 o 74 Bien entendu, la description qui pr(cede n'est pas lin, tative et l'invention peut être mise en oeuvre selon d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 2519 74 REVENDICATIONS 1 Fibre optique comprenant un coeur en silice vitreuse, do- pée ou non, de rayon a O et dont l'indice de réfraction no est constant, entour E d'une gaine de silice vitreuse dopée de rayon a, o l'indice de réfraction varie continûment jusqu'à une valeur ne, tnférieure à no, caractérisée en ce que le passage du coeur à la gaine s'effectue par un saut d'indice 4 N = no nl, nl étant supérieur à ne, qui obéit à la re- lation suivante: IT = -f + Arc sin ( 2 Eo 1) + 2 ( I En) 2 Eo en posant n x = a 2 2 Icsn ( 2 En)+ 2 en posant u = no 2N 2 no 2 ne obéit à la rela- (u -Eo 2 l 2 Fibre optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que xo est compris de preference entre 0,3 et 0,7.