Brevet FR2513394A1 — publié le 19830325

PROCEDE DE COUPLAGE ENTRE FIBRES OPTIQUES MONOMODES L'objet de la présente invention est un procédé de couplage entre fibres optiques monomodes. Les fibres optiques monomodes sont utilisées pour les télécommuni- cations optiques, parce qu'elles permettent la propagation de signaux avec des bandes passantes dépassant le gigahertz Pour ces applications, il est nécessaire de pouvoir connecter deux fibres pour réaliser une ligne Par ailleurs, certains composants utilisés en télécommunications optiques, tels que les modulateurs, ou les détecteurs, ont une terminaison en fibre optique, qu'il faut connecter à une fibre de ligne. Ces connexions ne doivent introduire que des faibles pertes et-il faut donc obtenir un bon couplage entre fibres. Les dispositifs connus de connexion de fibres optiques monomodes permettent de rapprocher les extrémités planes des deux fibres et de les orienter pour obtenir un bon couplage. Le rayon du coeur d'une fibre ne propageant qu'un seul mode, n'est que de quelques microns Le mode fondamental propagé a sensiblement une répartition gaussienne du champ électrique La distance W O (paramètre de répartition) par rapport à l'axe de la fibre, pour laquelle ce champ électrique tombe à l/e par rapport à sa valeur sur l'axe, est également de l'ordre de quelques microns. Pour que deux fibres soient bien couplées il faut rendre minimales trois erreurs possibles: l'erreur transversale, l'erreur longitudinale ét l'er- reur d'orientation Or, on maîtrise cette dernière avec une précision surabondante par l'utilisation de dispositifs en forme de V Il reste donc à rendre les deux autres erreurs inférieures à une valeur de l'ordre du micron. La présente invention, permet de simplifier le procédé de couplage de deux fibres par rapport à l'art antérieur. Le procédé de couplage selon l'invention, portant sur deux fibres monomodes ayant des coeurs de rayons respectifs a 1 et a 2 et propageant un mode de répartition de champ électrique sensiblement gaussien de para- mètre W 0, est caractérisé en ce qu'il comporte une étape préliminaire au cours de laquelle les fibres sont traitées, sur leurs parties terminales destinées à être couplées, de façon à obtenir sur leurs faces, terminales un paramètre Wo de répartition supérieur à W 0. Le traitement de l'étape préliminaire consiste, soit à étirer les parties terminales, soit à les chauffer pour obtenir, par migration des dopants, une modification des coeurs des fibres. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, illustrée par les figures qui représentent: figure 1, deux fibres couplées suivant l'art antérieur; figure 2, deux fibres couplées suivant l'invention; figure 3 et 4, des schémas montrant l'avantage de l'invention; figure 5, une courbe montrant la variation du paramètre de répar- tition du mode fondamental en fonction du rayon, du coeur d'une fibre monomode. On peut distinguer entre fibres monomodes à indice de réfraction à variation continue ou à variation brusque. Pour les fibres à indice de réfraction à variation brusque, on a, si r est la distance à Paxe z de la fibre et n(r) l'indice de réfraction: n(r) = n(g) pour r > a n(r) = n(g) + An pour r avec Ln = n(c) n(g) ef- n(g) et n(r) étant les indices de réfraction de la gaine et du coeur et a étant le rayon du coeur, A N est appelé aussi "saut d'indice". Pour les fibres à indice de réfraction continu, n(r) est donné par la relation suivante (o on suppose que n(r) est gaussien): n(r) = n(g) + An exp -r 2/a ( 2) Pour simplifier on appellera par la suite a le rayon du coeur et An la variation d'indice pour les deux sortes de fibres, les mêmes lois de propagation s'appliquant pratiquement dans ces deux cas ( 1) et ( 2). Dans le cas o la variation d'indice est discontinue on peut montrer que pour, qu'une fibre soit monomode, il faut que: V\ avec V =a 2 X 2 n An ( 4) o X est la longueur d'onde. Le mode fondamental, qui seul peut se propager si la relation ( 3) est remplie, est pratiquement tel que: E(r) = exp r 2/W 02 o E(r) est le champ électrique, W O est sensiblement donné, pour une répartition gaussienne par la relation: w O = a/(V-1)1/2 ( 5) o V est donné par ( 4) Par contre pour une variation brusque de l'indice, W O est donné par: a l O Ln (V 2) La figure I montre deux fibres monomodes F 1 et F 2, ayant des coeurs Clet C 2 de rayons a, et a 2 d'axes z 1 et z 2. Pour bien coupler les deux fibres F 1 et F 2 il faut que l'angle e entre les plans terminaux Ir, et " 2 soient faibles et réduire les erreurs longitudi- nales et transversales. Si l'on suppose négligeable l'erreur longitudinale, le coefficient de couplage y entre les fibres est donné par la relation: y= l X El (x,y) E 2 (x,y) dxdy 12 ( 6) o El (x,y) et E 2 (x,y) sont les valeurs normalisées des champs électriques des modes dans les deux fibres, Pintégration se faisant dans le plan Si O est négligeable, les fonctions El (x, y) et E 2 (x,y) sont réelles. A titre d'exemple pour deux fibres identiques ayant toutes les deux le même paramètre WV O et si l'on suppose O négligeable, le coefficient de couplage y donné par ( 6) est tel que: y =exp a 2/W 02 a étant l'erreur de positionnement transversal. Ainsi si l'on prend a = 1 pm on trouve pour W O = 3 p m et pour W 0 = 6 p 1 m, respectivement des valeurs de y exprimées en d B de 0,48 et de 0,12. On a illustré les résultats respectifs d'une même erreur a de position- nement transversal à l'aide des figures 3 et 4 Sur la figure 3 on a représenté deux cercles Gl et G 2 de rayons: dont les centres O et 02 sont séparés par une distance égale à l'erreur a de positionnement transversal La surface hachurée est la surface commune aux deux cercles On matérialise ainsi la portion d'énergie transmise d'une face terminale à celle qui lui est couplée. Sur la figure 4, on a représenté deux cercles analogues G 1 et G 2 de rayons égaux à: ayant leurs centres 01 et 02 distants de la même quantité a La surface hachurée commune aux deux cercles est relativement plus importante, ce qui apparaît mieux en comparant les surfaces des lunules non hachurées. Ceci explique l'amélioration du coefficient de couplage dans le cas de la figure 4. Selon une première méthode, on étire la fibre optique selon un mode opératoire très proche du tirage de la fibre à partir d'une préforme, celle-ci étant remplacée par la fibre elle-même en amont de la partie terminale Sur la figure 5 on a représenté la variation de W O en sortie en fonction du rayon du coeur de sortie at pour une variation de l'indice conforme à la relation ( 5). Les caractéristiques de la fibre optique et de la lumière transmise sont les suivantes: a= 3 lm n = 1,47 n = 2,7 10-3 À = 0,83 Il m Si l'on fait varier le rayon du coeur, par l'une des méthodes décrites ci- après, par exemple entre les valeurs 3 et 1,5 microns correspondant aux abscisses des points M 1 et M 2 de la courbe de la figure 5, seul le segment curviligne M 1 et M 2 de cette courbe correspond à une réalité physique, le reste de la courbe étant théorique. Typiquement ces parties terminales Pt P 2 ont des longueurs de 100 Pour réaliser ces parties Pl et P 2, on utilise le dispositif de traction de la machine de tirage, en chauffant la fibre optique à une certaine distance de sa partie terminale, par exemple à l'aide d'un chalumeau oxhydrique A titre d'exemple, le dispositif de traction est réglé à une vitesse très lente de pmpar seconde En cinq secondes, on obtient un cône de 400 lim de longueur, le diamètre externe de la fibre passant par exemple de 125 lnm à environ 60 pim Le rayon du coeur, qui lui est homothétique, passe de 3 à environ 1,5 microns On sectionne la fibre au point de diamètre correspon- dant à la valeur désirée pour le rayon de coeur. Selon une deuxième méthode, on chauffe la partie terminale de la fibre optique à une température de 800 C à 1200 C pendant une durée de 24 à 48 heures La durée optimale peut être détermin,'e par tâtonnements, le résultat étant contrôlable puisqu'on sait mesurer sur une face terminale de fibre optique l'intensité de lumière en différents points et par conséquent en déduire la valeur du paramètre WO L'exnlication théorique de l'efficacité de cette deuxième méthode est la suivante: le chauffage à une température, de l'ordre de celles qui ort été indiquées ci-evant, produit une migration d'une partie du dopant du coeur vers la périphérie de la fibre Il en résulte une modification du gradient d'indice aboutissant à une augmentation de la valeur théorique du rayon du coeur de la fibre optique On sectionne la fibre au point de chauffage pour obtenir la face terminale de paramètre désiré. REVENDICATIONS 1 Procédé de couplage entre deux fibres monomodes (F 1, F 2) ayant des coeurs de rayons a, et a 2 et propageant un mode de répartition de champ électrique sensiblement gaussien de paramètre de répartition W 0, caractérisé en ce qu'il comporte une étape préliminaire au cours de laquelle les fibres (FI, F 2) sont traitées, sur leurs parties terminales (P t, Pt destinées à être couplées, de façon à obtenir sur leurs faces terminales un paramètre W supérieur à W 0. 2 Procédé de couplage suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le traitement des portions terminales consiste à étirer les deux fibres (F 1, F 2) de façon à obtenir sur ces faces terminales des rayons de coeurs a 1 (t) et a 2 (t), a 1 (t) et a 2 (t), ayant des valeurs prédéterminées. 3 Procédé de couplage suivant la revendication l caractérisé par le fait que le traitement des parties terminales (Plt Pt) consiste à les Il 2 chauffer pour obtenir une migration des dopants ayant pour effet de modifier sur ces parties de façon prédéterminée les valeurs W 0.