Brevet FR2524989A1 — publié le 19831014

La présente invention concerne un procédé d'êpissurage de fibres optiques, ainsi que des fibres optiques épissurées par ce procédé. Divers procédés ont été développés pour connecter deux fibres optiques Les connecteurs et les épissures sont deux caté- gories générales de techniques de réunion de fibres optiques. Alors que les connecteurs offrent de façon caractéristique la possibilité d'effectuer des connexions et des déconnexions mul- tiples, les épissures sont habituellement utilisées lorsquton désire la plus faible atténuation possible dans la connexion de deux fibres optiques Il y a à l'heure actuelle deux catégories générales d'épissures pour fibres optiques: les épissures par fusion et les épissures par ciment* Dans les épissures par fusion on amène l'une contre l'autre les extrémités de deux fibres opti- ques, et on fait fondre la fibre par une flamme ou un arc élec- trique, etc, de façon à réunir les extrémités Dans les épissures par ciment, on amène les extrémités des fibres optiques l'une contre l'autre et on les réunit au moyen d'un ciment. la faible atténuation et la grande largeur de bande des fibres optiques unimodales offrent la perspective de pouvoir réaliser d'excellentes communications à longue distance et à grande capacité Cependant, le faible diamètre de coeur (de fa- çon caractéristique moins de 15 micromètres) des fibres unimoda- les rend l'épissurage plus difficile qu'avec les fibres multimo- des, et les effets de la qualité des extrémités et des défauts d'alignement transversal et angulaire sont plus critiques On est parvenu à obtenir des atténuations de fibre descendant jus- qu'à 0,35 d B/km à 1,3 ynm, et m 9 me moins à 1,55 pm, ce qui fait qu'il est important de disposer de techniques d'épissurage à faible atténuation, pour permettre l'écartement maximal entre répéteurs Par exemple, si une épissure est placée, en moyen- ne, à chaque kilomètre dans une fibre ayant une atténuation propre de 0,4 d B/km, et s' l'épissure ajoute ellc-mgme une atténuation supplémentaire de 0,2 d B, l'atténuation moyenne de la fibre épissurée sera de 0,6 d B/km Cependant, si l'atté- nuation de l'épissure est rdduitte à O t d B, l Iattênuation moyenne de la fibre pilasurée serait de 0,5 d BI'km Pour un système caractéristique à fibroe ptlque unimodale, on estime que cette reduetiri de l'atténuat Joa conduit à uieo augmenta- tion d'environ 1 à 2 kiloètres pour l'écartement maxinmal en- tre répéte Grs Le fait de réduire l'att:uation de l'épissure entre deux fibres à faible atté'ato rocure Jcnc,u avanta- ge économique très important. 1-, 5 Les techniques d'épissurage classiques q'i sont ba- sées sur l'alignement de la rc extéri-hurc de fa fibre, comne au moyen de rainures en Vt de tiges, de tubes, et qui utilisent dans une certaine mesure;n fusion par ln arc ou une flamme, ne parvie-nnent à la plusj faible attuation d'4 pi s- sure que pour des fibres ayant de, cours bien etintres (exeen- tricité inférieure à 0,2 Lm) Des toldrances de centrage du coeur inférieures au micron ne pourront probablement pas être maintenues en fabrication en grande quantitê On peut donc prévoir une atténuation plus éleiée pour l'épissure de fibres non identiques utilisant des procédés d'alignement des gaines. Ceci s'applique à la fusion par un arc ou une flamme avec des effets d'auto-alignement de la gaine ou du diamètre extérieur dds à la tension superficielle. Dans la teeciique de l'invention, on place bout à bout deux fibres optiques ayant des faces d'extrérait qui sont pratiquement planes et pratiquement perpendicula res aux axes des fibres On place ensuite un tube fendu de façon qu'il en- toure les extrémités, et on l'emplit ensuite au moins partiel- lement d'un ciment qui est de façon caractéristique un ciment durcissable par l'ultraviolet On aligne les fibres pour pro- duire une diffusion minimale du rayonnement dirigé à travers les fibres, en mesurant cette diffusion par un détecteur de diffusion, et on durcit le ciment Facultativement, on fait ensuite glisser autour de l'épissure un manchon, se présentant de façon caractéristique sous la forme d'un tube de quartz, on le scelle avec le ciment et on le fait durcir Des épissures de fibres optiques unimodales réalisées par cette technique ont donné des atténuations d'éJar -4 féieures de façon ca- ractéristique à 0,1 d B, et d'une valeur moyenne d'environ 0,05 d B. 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: Ia figure 1 représente une fibre optique préparée pour l'épissurage; Ia figure 2 montre un tube fendu en U destiné à en- tourer une épissure; Ia figure 3 montre une épissure entre fibres optiques à l'intérieur du tube fendu; Ia figure 4 montre un détecteur de diffusion destiné à déterminer l'alignement des fibres; La figure 5 montre la variation du signal de sortie du détecteur de diffusion en fonction du décalage transverse des coeurs des fibres; La figure 6 montre une épissure entre fibres optiques renforcée par un cylindre extérieur en verre; la figure 7 montre un appareil qui convient pour ali- gner les fibres pendant l'épissurage. Ia description détaillée qui suit porte sur un procé- dé d'épissurage de fibres optiques et sur des fibres épissurées par ce procédé Cette technique peut 6 tre utilisée aussi bien avec des fibres optiques unimodales qu'avec des fibres multimo- des On obtient cependant l'avantage maximal avec des fibres unimodales, du fait qu'elles ont de faibles diamètres de coeur, de façon caractéristique moins de 15 micromètres, ces diamètres étant habituellement dans la plage de 5 à 12 micromètres, ce qui nécessite un alignement précis pour réaliser des épissures à faible atténuation La technique de l'invention ne repose pas sur l'utilisation de fibres ayantt des coeurs bien centrés. L'alignement est effectué tout en contr 16 ant la iumidre diffu- sée à partir de l'épissure, pour obtenir le meilleur aligne- ment des coeurs eux-m$mes En complêment, on utilise un tube fendu pour maintenir un ciment autour des e 7 tréSites de la fi- bre Oeci permet d'utiliser une quantité de eiment relative- ment faible, améliore les propri -ts thermiques de l'épissure et permet un aligne:ment précis ava-i; et pendant le durcisse- ment du ciment. Dans la technique de 'irs,-sntion, lee fibres à épis- surer doivent avoir des faces d O extréritê pratiqlemlent planes qui sont pratiquement perpendiculaires b I'te de La fibre Un eertal'n nombre de techminqes on% -g; proposées pour préparer des fibres ayant une grax Ji queliy J des fa 2 ae d'extrémité; voir par exemple le brevet US 3 934 773, i doman Ode de brevet US 370 369 décrit un procédé pour lequel on a constatê qu'on obtenait des faces d'ezxtrémit 4 planes pratiquement perpendiou- laires à l'axe de la fibre, pour nm pourcentage élevé de fibres cassées Un procédé pour déter miner la plané:i et la perpen- dicularité d'extrémités de fibres optiques est décrit dans l'ar- ticle intitulé "Fiber Break Testing by Interferrometry: A Comparison of Two Breaking Methods", par A S Gordon et col. Applied Optics, Vol 16, pages 818-819 ( 1977) On entend par "pratiquement perpendiculaire" le fait que l'angle de fracture de la fibre, défini comme étant l'angle entre l'axe de la fi- bre et la normale au plan de la face d'extrémité, est inférieur à 1 . On prépare la fibre en enlevant environ 0,5 rm du rev 4 te Lient; voir la figure 1 sur laquelle la fibre dénudée 11 s'étend à partir du revêtement 10 On place deux fibres prépa- rées de façon similaire dans le tube à épissure 21, représenté sur la figure 2 Pour une fibre ayant un diamètre de gaine ex- térieur d'environ 125 pm, un tube à épissure caractéristique mesure environ 2,5 mm de longueur, il a un diamètre extérieur de 0,9 mm, et il comporte une fente ayant une largeur d'envi- ron 0,3 mm Le tube 21 est placé de façon à entourer les ex- trémités des fibres, comme le montre la figure 3 On a trouvé que l'utilisation d'un tube de verre fendu était très avanta- geuse pour lpissurage d'une fibre optique Ceci est dû en partie au fait que le tube emprisonne le ciment qui est uti- lisé pour l'épissurage, ce qui permet d'utiliser moins de ci- ment que dans des techniques caractéristiques de l'art anté- rieur Ceci signifie qu'une proportion élevée de la matière entourant la fibre est du verre, et qu'une quantité relative- ment faible est du ciment Ceci procure de meilleures caracté- ristiques thermiques qu'une épissure consistant essentielle- ment en ciment, à cause de la différence des coefficients de dilation thermique du verre et de types caractéristiques de ciment De plus, on peut déplacer les fibres à l'intérieur du tube avant le durcissement du ciment, ce qui permet de réali- ser un alignement précis entre les coeurs des fibres. Bien que le ciment puisse 8 tre de nombreux types, on a trouvé qu'un type donnant satisfaction consistait en un ci- ment durcissable par ultraviolet, ayant une viscosité de 35 o Pl, un module de 1050 x 106 Pa, une résistance à la traction de 21 x 106 Pa, un allongement à la rupture de 38 %, une dure- té sur l'échelle Shore D de 85, et un indice de réfraction de 1,56 Une amélioration de l'adaptation d'indice de réfraction entre les coeurs des fibres due au ciment, en comparaison avec un espace d'air, permet un alignement plus précis des coeurs des fibres Dans le tube à épissure représenté ci-des- sus, on peut durcir ce ciment avec un rayonnement d'une lon- gueur d'onde de 366 nm provenant d'une lampe qui fournit 7000 )x W/cm 2 à une distance de 38 cm du tube à épissure L'utilisa- tion d'un tube à épissure en verre facilite le passage du rayonnement ultraviolet dans le ciment Cependant, si le type de ciment utilisé ne nécessite pas un rayonnement pour le dur- cissement, on peut utiliser d'autres types de tubes à épissure. Pour mesurer avec précision l'alignement correct des fibres, on utilise un détecteur de rayonnrement diffusé, comme le montre la figure 4, Dans l'opération d'a Lignemnt, on dirige uniayornement optique 44 à travers l'une des fibres, vers l'épissure Le rayonnemrent optique est habituellerant, m Liais non obligatoirement, à La longueur d'onde de fonctior Lem Lent de la fibre On l'applique commodément à une extrégmité accessible de la fibre Selon une variante, on petit l' itrod 1 aire dans la fi- bre par un coupleur à un point relativement plus proche de l'épissure Si les coeurs des deux fibres ne sont pas alignés, une partie du ray-omement est diffusée vers la gaitne de la fi- bre, et de la gaine vers le rev Stement On a constat 6 que si le revêtement n'est pas opaque, on peut ut Liiser un d 4 tecteur suffisamment sensible potr contrlner le rayornement diffusée. Un détecteur approprié consiste en An tube fendu du type re- présenté sur la figure 2, mais ayant de façon caractéristique une longueur 'Li d'environ 10 cmo Le tube 41 Dst p 2 autour de la fibre 40 Pour avoir une sens-ibilité maximale, le tuboe est empli d'un fluide d'adaptation d'irndice; l'hiluile d'adap- tation d'indice de type argille ayant un indice de réfraction de 1,47 est satisfaisante L'utilisation du f Ouide d'adapta- tion d'indice n'est pas nécessaire darns tous les cas, en fonc- tion de l'intensité du rayonnement dans la fibre Un déteeteur 42, per exemple un détecteur à l'arséniure d'indium-gallium pour un rayonnement optique ayant une longueur d'onde d'envi- ron 1,3 pm, est placé à l'extrémité de ce tube, comme le mon- tre la figure 4 On a trouvé que lorsque l'extrémité du tube fendu est perpendiculaire à l'axe du tube, comme il est repré- senté, le rayonnement dl'ffuli qui est oapté est maximal Ceci est important dans des fibres optiques unimodales de grande longueur, du fait que la source de rayonnement peut 8 tre à une distance considérable de l'épissure elle-même. On utilise le détecteur de rayonnement diffusé pour l'alignement des fibres, comme il est décrit de façon plus détaillée dans les procédures ci-dessous La sensibilité éle- vée de ce détecteur apparait sur la figure 5 qui montre la variation du signal provenant du détecteur en fonction du dé- calage des deux fibres; voir la courbe 51 * A titre de compa- raison, la courbe 52 est une courbe qui montre la quantité de lumière transmise à travers la fibre elle-rnme, en fonction du décalage On peut voir qu'en contrôlant la diffusion locale près de l'épissure, il appara Xt une variation de signal beau- coup plus élevée pour une valeur donnée de déca 2 age On peut donc obtenir une indication beaucoup plus sensible du point zéro en utilisant la technique de la lumière diffusée qu'en contrôlant simplement la quantité de lumière transmise à tra- vers la fibre. On a trouvé que l'épissure décrite jusqu'ici avait une très faible atténuation Il est cependant souhaitable dans de nombreux cas de réaliser une protection mécanique supplé- mentaire de l'épissure Dans ce but, on fait glisser sur l'épissure un manchon de quartz 61 ayant un diamètre intérieur d'environ 1 mm et un diamètre extérieur d'environ 2 mm, et une longueur caractéristique d'environ 14 mm On scelle les extré- mités du tube de quartz avec un ciment 62 et on durcit le ci- ment pendant environ 4 secondes Le ciment dont les propriétés ont été indiquées précédemment est satisfaisant L'épissure préparée de la manière indiquée ci-dessus a alors une résistan- ce mécanique appropriée pour sa mise en place dans un bottier d'épissure caractéristique ou dans une autre enveloppe, l'exem- ple suivant illustre la technique d'épissurage de façon plus complète. EXEMPLE On a clivé deux fibres optiques de façon à produire des faces d'extrémité pratiquement planes qui étaient perpen- diculaires aux axes respectifs des fibres à 1 près On a net- toyé les extrémités des fibres dans de l'éthanol en utilisant un dispositif de nettoyage par ultrasons Conformément à la figure 7, on a placé une fibre 701 dans un mandrin à dépression 702 sur une platine mobile 7 D 3 On -a placé de f' gon similaire 1 L et une seconde fibre 'i O 4 dans un mandrin à tiépressîon 705, sur une platine mobile 7 IC 6 On a d 4 r,4,-,e exaltaient daii 2 le coeur de la fibre '701 un rayonnement à 7- et ou a placé le dé- tec 1 "e- 1 _r de diú fusi o-n 41, 42 fro aie l'autre fibre, 04 o On a 1 igné inil-w -iali-umeit C_s Di-J 0-ros- cope un d 1 erTJ -2 cjn -3-5,titui Vali- (Les lces L-es àe, 'aîent légèrement sépa_-réïcs à à' 1 O à, 1 O s , cnal de du c 1 f en p m ent N î t ia'l d -c c -o 1 _e e îJI-oi Aspire 31 sur un support r, 1 Lrz A "Iel-",i,, et l'a au J 1Flic, l;-. moyen dl une Platine 7 C 4 3 de 1 6 pi úis-tir e 1 s _ns la toucher On a em Pli le 2 'p Jz'- 5 'Ureun ciment Norland N O j'; ï 5 l icromètres on -1 ee a al-Er,'tcn à 7,i D tn_, ritilista dé- lu-ceteur de rayorjiiem-ent diffi-t,7 ï;' es- -ondi-'nt au 2 'fîroGI-1 a 1 î g n b 1 c i S a 1 c e (rue -'_ e's e x r t o 'u ('b c 2 i t O ri a 'j -1 j Z e rv ceci en not nt llïbsencD de da ort 1-a du détecte, -u sous ileffet d'un la, î b ces platines d'aligncmgr t 703 et 7 Cel,- rxir uns exposition dc 4 ecoiidef, à 1 M Cin a ensuite fit glisse r sur l'épisoure urt manchijn verre de silice (qrartz) placé -$Préalablement l'ar 'L'I Lne a-2 z, fi- bres On a empli es extrémités du -Aube avec le c,-nio-ntj, -aimais emplir la partie centrale entouran-1, le I Gube à pissure fendu. On a durci le ciment comme précédemment. Il va de soî que de nombreuses peuvent 4 tre apportées au procédé et dispositif décrîts et repré- sentés, sans sortir au cadre aie l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé d'épissure de deux fibres optiques ayant des faces d'extrémité pratiquement planes qui sont pratique- ment perpendiculaires à l'axe de la fibre, caractérisé en ce qu'on place les faces d'extrémité des fibres à proximité l'une de l'autre, on entoure les extrémités avec un premier tube empli au moins partiellement d'un ciment, on dirige un rayonnement à travers l'une au moins des fibres, vers les fa- ces d'extrémité, on aligne axialement les fibres en minimisant le niveau du rayonnement diffusé à partir des extrémités et on bloque les fibres en alignement en durcissant le ciment. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on place une pièce autour du premier tube et on cimente cette pièce pour la maintenir en place. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on détecte le rayonnement diffusé à partir des extrémités au moyen d'un tube fendu qui entoure au moins partiellement une partie de l'une des deux fibres à proximité des faces d'extrémité, grâce à quoi le rayonnement diffusé à partir des faces d'extrémité est couplé vers le tube et est ainsi dirigé vers un détecteur. 4 Dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, pour l'épis- surage de fibres optiques, caractérisé en ce que l'épissure est formée par les extrémités des fibres optiques alignées axialement et entourées par un tube empli au moins partielle- ment de ciment. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'épissure comprend en outre un cylindre entourant le tube, et les parties d'extrémité de ce cylindre sont em- plies au moins partiellement de ciment. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fibre est une fibre unimodale. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le tube est pratiquement en verre de silice et le ciment est un ciment durcissable par l'ultraviolet.