Brevet FR2526173A1 — publié le 19831104

Ia présente invention concerne les fibres optiques unimodales. On peut concevoir des fibres optiques pour un fonc- tionnement unimodal à des longueurs d'onde spécifiées telles que 1,3 pm ou 1,55 pm Cependant, pour qu'une fibre unimodale convienne à l'utilisation dans des systèmes de transmission à longue distance et à débit binaire élevé, elle doit également avoir une faible atténuation par diffusion de Rayleigh, une faible atténuation induite par des courbures, et une faible dispersion chromatique Des études expérimentales roécentes ont indiqué qu'une fibre à saut d'indice, avec un coeur de 7,5 pm de diamètre dopé au germanium, une gaine de silice de 110 pm de diamètre et une différence d'indice A = 0,5 %, procure une très faible atténuation et une très bonne résistance à l'atté- nuation induite par des courbures (c'est-à-dire par le câblage). Cependant, la dispersion minimale se produit près de 1,35 pro, ce qui est trop loin de la longueur d'onde de fonctionnement préférée de 1,3 pm A cet égard, les guides de lumière ayant une gaine dont l'indice est diminué au moyen d'oxyde de germa- nium/fluoro-phosphosilicate sont des structures de remplacement intéressantes du fait que le dopant consistant en oxyde de ger- manium qu'on utilise pour augmenter l'indice du coeur a pour fonction d'augmenter la longueur d'onde à laquelle la disper- sion par la matière est nulle, tandis que le fluor qu'on utili- se pour diminuer l'indice de la gaine a pour effet de diminuer la dispersion par la matière aux longueurs d'onde supérieures, comme 1,55 Àm Il en résulte que les contributions à la disper- sion chromatique qu'apportent les deux matières de dopage peu- vent tre contrebalancées, et la dispersion chromatique totale peut 8 tre minimisée à n'importe quelle longueur d'onde dans la gamme désirée entre 1,28 et 1,38 pn, pour des diamètres de coeur compris entre 6 pm et 10 pm Par conséquent, les paramè- tres du guide d'ondes à fibre, comme le diamètre du coeur et la différence d'indice, peuvent être choisis de façon à minimi- ser l'atténuation, tandis que les effets de dispersion peuvent 8 tre minimisés par le choix des concentrations de dopants ap- propriées. On a cependant observé que des guides de lumière à indice de gaine réduit présentent une atténuation élevée aux plus grandes longueurs d'onde Ainsi, un guide de lumière con- çu pour fonctionner à 1,3 pm ne pourrait pas #tre utilisé à 1,55 pm Il en résulte que l'utilisation d'une fibre à 1,3 pn dans un système quelconque limiterait l'aptitude à la crois- sance du système, par fonctionnement simultané à 1,3 pu et à une certaine longueur d'onde supérieure, comme 1,55 pm. L'invention est basée sur la découverte du mécanisme d'atténuation qui intervient dans une fibre unimodale à indice de gaine réduit Des fibres de ce type comprennent une région de coeur d'indice ne entourée par une première gaine, ou gaine intérieure, d'indice N 1 et par une seconde gaine, ou gaine ex- térieure, d'indice N 2, avec ne > N 2 > N 1 Conformément à l'invention, la région à atténuation élevée aux plus grandes longueurs d'onde est déplacée hors de la gamme utile en donnant au rapport des rayons de la première gaine et du coeur une va- leur supérieure ou égale à 6,5/1 - les fibres de silice co-dopées avec de l'oxyde de garmanium dans le coeur et du fluor dans la gaine ont attiré l'attention du fait qu'elles peuvent être construites de façon à satisfaire les exigences de faible dispersion à n'importe quelle longueur d'onde dans la gamme 1,28-1,38 pm En donnant au rapport entre la gaine et le coeur une valeur de 8/1, con- formément à l'invention, on peut obtenir une atténuation infé- rieure à 0,1 d B/km pour des longueurs d'onde inférieures à 1,6 Ptm. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description quisva suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 montre la section transversale d'une fi- bre optique à double gaine; La figure 2 montre le profil d'indice de la fibre représentée sur la figure 1; La figure 3 montre deux ensembles de courbes d'atté- nuation par fuites radiatives; la figure 4 montre l'effet de courbures sur le pro- fil d'indice; et Les figures 5 à 8 représentent des ensembles de courbes montrant l'effet de courbures sur l'atténuation des fibres. On va maintenant considérer les dessins sur lesquels la figure 1 montre la section transversale d'une fibre optique unimodale à double gaine, 10, qui comprend une région de coeur 11 de rayon r et d'indice de réfraction nef entourée par une première gaine ou gaine intérieure, 12, de rayon r 1 et d'indi- ce N 1, et par une seconde gaine ou gaine extérieure, 13, de rayon r 2 et d'indice N 2 La figure 1 montre également la ma- nière selon laquelle les indices de réfraction varient en fonc- tion de la distance à partir du centre de la fibre, la fibre dite "à indice de gaine réduit" présente un intérdt particu- lier Dans cette fibre, l'indice de réfraction de la gaine in- térieure est inférieur à l'indice du coeur comme de la gaine extérieure On a ainsi: nc> N 2 > N 1 ( 1) Les différences relatives à et A' entre le coeur et la seconde gaine, et entre les première et seconde gaines sont données par les relations: ^ N c 2 ( 2) n 2 n 2 N 1 et 2 ni Cette configuration d'indice particulière est préfé- rée pour un certain nombre de raisons au profil à saut d'indi- ce à une seule gaine, qui est plus simple Comme indiqué ci- dessus, en utilisant une combinaison de germanium en tant que dopant d'augmentation d'indice dans le coeur, et de fluor en tant que dopant de diminution d'indice dans la gaine intérieu- re, on peut minimiser la dispersion chromatique totale à n'im- porte quelle longueur d'onde dans la gamme désirée entre 1,28 pm et 1,38 pm, pour n'importe quel diamètre de coeur de la fi- bre, compris entre 6 pm et 10 pm De plus, on peut obtenir la même différence d'indice totale entre le coeur et la gaine ( A + A ') avec une plus faible concentration de dopant dans le coeur, ce qui réduit l'atténuation due à la diffusion de Rayleigh. On a cependant observé que les guides de lumière à indice de gaine réduit ont une atténuation élevée aux plus grandes longueurs d'onde l'invention est basée sur la décou- verte du mécanisme responsable de cette atténuation. la notion de coupure du mode fondamental H Ei Joue un rôle central dans la compréhension de ce mécanisme On dit qu'un mode est guidé lorsque son champ à l'extérieur du coeur de la fibre décroit de façon exponentielle en fonction de la distance radiale Au contraire, le champ modal peut former une onde progressive radiale dans la gaine extérieure, après une décroissance exponentielle initiale près du coeur Lorsque ce- ci se produit, on dit que le mode est sous coupure Ainsi, dans l'utilisation qui en est faite ici, le terme "coupure" n'implique pas que de l'énergie ne puisse pas être transmise le long de la fibre Il signifie simplement que, du fait que l'énergie n'est pas totalement emprisonnée à l'intérieur du guide de lumière, une certaine énergie peut fuir et être per- due par le processus de rayonnement. Dans une fibre à saut d'indice simple (c'est-à-dire &' = 0), l'énergie sous forme d'ondes ne passe pas sous cou- pure, m 4 me à des longueurs d'onde arbitrairement grandes Ceci est dû au fait que l'indice de réfraction du coeur est supé- rieur à celui des gainesenvironnantes pour des signaux à tou- tes les longueurs d'onde dans la gamme de longueurs d'onde de signal présentant un intéret Au contraire, dans une fibre à indice de gaine réduit du type représenté sur la figure 1 l l'indice effectif de la fibre tend à diminuer lorsque la lon- gueur d'onde du signal augmente, jusqu'à atteindre une valeur d'indice effectif qui est inférieure à celle de la gaine exté- rieure Lorsque ceci se produit, la fibre est sous coupure en ce qui concerne le signal à cette longueur d'onde et à des longueurs d'onde supérieures La raison pour laquelle ceci se produit est représentée sur la figure 2 qui montre le profil d'indice d'une fibre à indice de gaine réduit et la distribu- tion du champ de signal pour deux longueurs d'onde et avec 12 >A 1- A la plus courte longueur d'onde Xl, le champ est concentré dans la région de coeur 11, comme le montre la cour- be 20 Pour cette distribution de champ, l'indice effectif est proche de celui de la région de coeur et est supérieur à l'in- dice N 2 de la gaine extérieure Pour le signal de plus grande longueur d'onde A 29 le champ n'est pas limité de façon aussi stricte au coeur, mais s'étend dans la région de la gaine in- térieure 12, comme le montre la courbe 21 Du fait que l'indi- ce de la gaine intérieure est inférieur à celui du coeur comme à celui de la gaine extérieure 13, l'indice effectif aux plus grandes longueurs d'onde tend à diminuer et il atteint finale- ment une valeur qui est inférieure à N 2 Plus précisément, l'indice effectif ne est donné par la relation: ne ( 4) dans laquelle: \ est la longueur d'onde plane du signal en espace libre, et Ag est la longueur d'onde modale du signal dans la fibre. Si ne est supérieur à N 2, il n'y a pas d'atténuation par rayonnement Cependant, lorsque ne devient inférieur à N 2, le signal rayonne à travers la gaine et on dit qu'il est so 80 U 8 coupure Une formule approchée pour les pertes d'énergie ra- diatives, 2 L, dans une fibre à double gaine avec une gaine large à indice réduit est de la forme suivante: = 2 '2 r-2 yr Pk 2 n I 22 IV 21 IK (Ar)2 k= ln 2 ( 1 +A>k 2 _2 1/2 k = 2 P 2-A = A 1 2 = -n 2 ( 1-)2 kl/2 G = (f 12 Lp)1/2 1/ Y = kr N 2 l 2 (+ 6)l L'équation ( 5) est valide pour des valeurs d'atté- nuation présentant un intérat pratique Elle devient invalide lorsque l'atténuation par rayonnement est déjà trop élevée pour 8 tre tolérable. la figure 3 montre deux ensembles de courbes d'atté- nuation par fuite radiative, calculées en fonction de la lon- gueur d'onde pour une famille de fibres en silice comprenant un coeur dopé au germanium, d'un rayon de 3,75 pm et une pre- mière gaine dopée au fluor Ia différence d'indice totale en- tre le coeur et la gaine pour un tel système est de façon ca- ractéristique de 0,5 %o (c'est-à-dire IM+ I'I = 0,5 %) la famille de courbes en trait continu montre l'atténuation lors- que le rapport entre la gaine et le coeur, rj/rc, est égal à 6, pour différentes valeurs de A o Par exemple, lorsque A = O %, l'indice du coeur et celui de la gaine extérieure sont égaux et l'indice effectif ne est inférieur à N 2 à toutes les longueurs d'onde faibles Ainsi, l'atténuation augmente rapi- dement avec la longueur d'onde Lorsque a augmente (c'est-à- dire lorsque l'indice de la seconde gaine diminue par rapport à celui du coeur), l'atténuation, en fonction de la longueur d'onde, devient moindre. les courbes en pointillés montrent une variation similaire en fonction de & Cependant, du fait du rapport rl /ro plus élevé, l'atténuation est globalement plus faible. Si on fixe une atténuation de 0,1 d B/km comme atté- nuation maximale tolérable, on obtient cette atténuation à une longueur d'onde de 1,55 pm, lorsque a est approximativement égal à 0,26 %, pour un rapport ?rtrc de 6 ou 7 Cependant, ces courbes sont quelque peu trompeuses dans la mesure oh elles décrivent des fibres rectilignes Si on tient compte des effets de courbure, le tableau de l'atténuation change considérable- ment, à cause de la distorsion du profil effectif de la fibre. Plus précisément, si on courbe une fibre ayant un profil d'in- dice représenté par la courbe en trait continu 40 de la figure 4, le profil d'indice effectif est déformé, comme le montre la courbe en pointillés 41 Il en résulte que la valeur effective de A est réduite depuis sa valeur de A 1 pour une fibre rec- tiligne, Jusqu'à sa valeur effective de h 2 pour une fibre courbée Par exemple, si le J effectif est réduit de 0,26 à 0,25, l'atténuation à 1,55 pm augmente de 0,1 d B jusqu'à envi- ron 8 d B pour une fibre ayant un rapport rj/rc de 6, mais seulement Jusqu'à environ 0,4 d B pour une fibre ayant un rap- port de 7 Ceci illustre très clairement l'importance du rap- port entre la gaine et le coeur La valeur préférée de ce rap- port dépend d'un certain nombre de considérations pratiques. Pour faciliter l'épissurage, il est souhaitable que le diamètre du coeur ne soit pas inférieur à 7,5 à 8 Mm Pour que la fibre soit unimodale à 1,3 pm, A ne doit pas 8 tre supérieur à 0,5 %. Enfin, pour que l'atténuation par diffusion de Rayleigh ne de- vienne pas trop élevée, on donne avantageusement à A' une va- leur inférieure à 0,4 % En prenant ces contraintes en considé- ration, on peut obtenir une série de courbes, du type représen- té sur les figures 5-8, qui montrent l'atténuation en fonction de la longueur d'onde pour différents rayons de courbure Par exemple, l'ensemble de courbes représentées sur la figure 5 concernent le cas dans lequel r O = 3,75 pm; r 1/ro = 6; f^ 1 + I A'I = 0,5 %; et A = 0,3 % A \= 1,55 pm, l'atténuation atteint 0,1 d B/km pour un rayon de courbure d'environ 9 cm Si pour ces valeurs de L, A, et r 0, on augmente le rapport r 1/ re jusqu'à 7, on peut réduire le rayon de courbure à environ 6 cm, pour la même atténuation à 1,55 pm. Les figures 7 et 8 montrent un ensemble de courbes similaire pour une fibre ayant un rayon de coeur légèrement plus grand, de 4 pm, et un à de 0,4 %, ce qui correspond à une augmentation de la différence entre les indices du coeur et de la seconde gaine Ces deux modifications ont pour action de réduire l'atténuation par courbures ou, inversement, d'au- toriser un plus petit rayon de courbure pour la même atténua- tion. On peut établir diverses courbes de cette sorte Le fait qui apparaît lorsqu'on fait ceci est le suivant: pour qu'une fibre unimodale fonctionne sur la gamme comprise entre à = 1,3 et 1,55 1 im, le rapport des rayons de la première gai- ne et du coeur de la fibre est important et, en particulier, il doit dépasser au moins 6,5 ' po'ur maintenir l'atténuation par courbures à un niveau faible. En plus des deux couches de gaine actives au point de vue du guidage d'onde, il peut y avoir des couches supplé- mentaires de matière qui sont des sous-produits du procédé de fabrication ou sont incorporées pour des raisons qui ne sont pas liées à la fonction de guidage d'onde de la fibre Con- traitement aux deux gaines optiquement actives, qui sont con- çues de façon à avoir une très faible atténuation aux longueurs d'onde considérées, de telles couches supplémentaires peuvent avoir une atténuation élevée à ces longueurs d'onde Par exem- ple, si on utilise le procédé de dép 8 t chimique en phase va- peur modifié (MCVD), la gaine la plus extérieure est entourée par'le tube de départ de la préforme qui, bien qu'étant en silice, a de façon caractéristique une atténuation élevée. D'autres couches peuvent comprendre une couche de barrière destinée à empêcher la migration de radicaux OH vers la ré- gion de coeur Cependant, en donnant une épaisseur suffisante à la seconde couche de gaine, ces gaines supplémentaires ntaf- iectent pas les caractéristiques de guide de lumière de la fi- bre et on peut les ignorer en ce qui concerne l'invention. 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 unimodale comprenant: une région de coeur intérieure ayant un indice de réfraction ne et un rayon rc, entourée par une première gaine, ou gaine intérieure, ayant un indice de réfraction N 1 et un rayon extérieur r 1, et par une seconde gaine, ou gaine extérieure, ayant un indice de ré- fraction N 2, avec ni port r 1/rcest au moins de 6,5/1. 2 Fibre selon la revendication 1, dans laquelle la différence relative A entre l'indice de réfraction du coeur et celui de la premiere gaine, est donnée par: n_ N 2 n 2 et la différence relative A' entre les indices de réfraction des première et seconde gaines est donnée par: n 2 N 1 = n 2 caractérisée en ce qu'on a: z im+ 1 lt = 0,5 % 3 Fibre selon la revendication 2, caractérisée en ce que d A 0,4 %. 4 Fibre selon la revendication 3, caractérisée en ce que cette fibre est une fibre unimodale sur la gamme des longueurs d'onde supérieures à 1,3 pn.