Brevet FR2551885A1 — publié le 19850315

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE FIBRE OPTIQUE MULTICOEURS ET FIBRES OPTIQUES OBTENUES PAR UN TEL PROCEDE. L'invention se rapporte aux fibres de verre conductrices de la lumière et plus particulièrement à la fabrication de fibres optiques à deux ou plusieurs coeurs. De nombreux procédés de fabrication de fibres optiques existent et sont bien connus de l'homme de l'art. Certains, comme le procédé dit 1,Modified Chemical Vapor Deposition" ou "M.C.V.D.", produisent des fibres de très hautes performances à faible atténuation ( i:n effet les verres à forte teneur en silice sont communément employés pour la production de fibres optiques, cependant leur viscosité rend difficile l'emploi des méthodes verrières traditionnelles pour obtenir de très faibles taux d'impuretés (quelques dixièmes de p.p.m). On réalise alors la production de particules de verres Si O2 au moyen de réactions chimiques telles que SiC14 + o2 + 2cul2 + Si02 utilisant deux grandes voies classiques: l'oxydation ou l'hydrolyse. L'ajout de dopants permet de faire varier l'indice du matériau, et la pression de vapeur des hydrures ou chlorures des métaux de transition est suffisamment inférieure à celle des composés de silice pour réduire considérablement les contaminations. C'est un procédé dit "extérieur" qui a été initialement utilisé et a permis d'obtenir la première fibre optique d'atténuation inférieure à 20dB/km. Selon ce procédé, on introduit dans un brflleur un mélange de dopants sous forme de chlorures avec du tétrachlorure de silicium (SiCI4), de l'oxygène pur et un gaz comburant. Les vapeurs sont hydrolisées dans la flamme, formant une suie qui est projetée autour d'un mandrin en rotation ou elle se dépose. Le barreau est chauffé jusqu'à vitrification de la couche poreuse introduite, produisant alors une fine pellicule de verre de silice dopée. En modifiant la concentration des dopants, on peut ainsi réaliser des couches successives d'indice variable avec la distance à l'axe, conduisant à un gradient d'indice. Le barreau est alors étiré en fibre après élimination du trou intérieur provoqué lors de la suppression du mandrin central. Le procédé "M.C.V.D." est une variante améliorée de ce procédé initial, d'où son autre appelation: "I.V.P.O." ("Inside Vapor Phase Oxidation"). Un chalumeau va produire dans le tube, mais de l'extérieur, la température- nécessaire à l'oxydation en phase vapeur. Le chalumeau se déplace le long du tube en rotation, comme dans le procédé extérieur. Un mélange des gaz de la réaction, tétrachlorure de silicium (SiC14) et dopant, est envoyé dans te tube et la réaction se produit au niveau des parois chauffées à haute température (1600" à 19000), provoquant un dépôt de verre sur la surface intérieure. La couche fait quelques micromètres d'épaisseur pour un passage. Il faut environ une cinquantaine de passages pour réaliser la zone qui formera la gaine et le coeur après rétreint du tube. Les principaux dopants utilisés sont le germanium, le bore, le phosphore, le fluor ou un mélange de ceuxsi. Le rétreint du tube permet alors d'obtenir une préforme. Mais ce procédé ne permet d'obtenir que des fibres comportant une gaine et un seul coeur. Le procédé de l'invention permet d'obtenir, de façon simple, des fibres à plusieurs coeurs, dont la géométrie et la disposition sont maintenus sur plusieurs kilomètres. L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une fibre optique à deux coeurs comportant successivement: - une première étape de dépôt d'oxydes à l'intérieur d'un tube de quartz en rotation par rapport à son axe de symétrie le long duquel est déplacé une source de chaleur, et dans lequel sont envoyés des halogénures et de l'oxygène, le tube étant porté à une première température grâce à cette source de chaleur, cette étape consistant à effectuer la phase de dépôt de gaine optique; - une deuxième étape pendant laquelle le tube est rétreint, la température obtenue au niveau du tube grâce à cette source de chaleur étant augmentée, jusqu'à obtenir un barreau ou préforme - une troisième étape d'étirage de cette préforme pour obtenir une fibre de dimensions homothétiques de celles de la préforme;; caractérisé en ce que le tube de quartz a une section de forme elliptique, en ce que pour l'étape de rétreint du tube on utilise deux sources de chaleur: une première à deux foyers et une seconde à un foyer, et en ce que la deuxième étape comporte les étapes suivantes: - une première étape de rétreint du tube, la température obtenue au niveau du tube grace à cette première source de chaleur étant augmentée, afin d'obtenir un tube de section à deux lobes en forme de huit; cette étape comportant les phases suivantes une première phase pendant laquelle la rotation du tube est arrêtée, ce tube étant orienté de telle sorte que le petit axe de l'ellipse soit parallèle à l'axe de chauffe de cette première source de chaleur à deux foyers, cet axe de chauffe étant centré sur l'axe de l'ellipse, cette source se déplaçant le long de ce tube; une deuxième phase pendant laquelle le tube est tourné de 180 par rapport à son axe de symétrie, l'opération de rétreint avec cette première source étant reprise, de manière à obtenir un tube de section à deux lobes en forme de huit; - une étape de dépôt de quelques couches d'oxydes de même compositison que lors de la première étape, suivie du dépôt de coeur dans chacun des lobes à une température voisine de celle de la première étape de dépôt d'oxydes. - une deuxième étape de rétreint comportant les phases suivantes: une première phase de rétreint de ce tube à deux lobes afin de diminuer le diamètre des deux orifices en utilisant la seconde source, le tube étant en rotation; une deuxième phase de rétreint de l'un des deux lobes de la section en forme de huit, une première dépression étant alors créée à la première extrémité du tube, l'autre extrémité ayant été fermée, le tube étant immobile; une troisième phase de rétreint de l'autre lobe, ce tube étant immobile. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparai tront au moyen de la description qui suit, en se rapportant aux figures qui l'accompagnent, parmi lesquelles: - les figures 1 à 3 illustrent différents aspects de dispositifs de l'art connu. - les figures 4 à 9 illustrent les différentes étapes d'une première variante du procédé de l'invention. - les figures 10 à 29 illustrent différentes variantes du procédé de l'invention. La technique MCVD est illustrée à la figure 1. Un tube de quartz est monté entre les deux mandrins d'un tour verrier. Le long de ce tube en rotation se déplace la flamme d'un chalumeau oxyhydrogéné à une tempéra ture suffisante pour permettre la réaction des halogénures tels que tétra chlorure de silicium (SiC14) avec l'oxytrichlorure de phosphore (POC13) et le tétrafluorure de silicium-- (SiF4) ou le tribromure de Bore (BBr3) pour les couches de gaine et du tétrachlorure de silicium (SiC14) et du tétrachlorure de germanium (GeC14) et de roxytrichlorure de phosphore (POC13) pour les couches de coeur, avec l'oxygène pour donner des oxydes de silicium (SiO2), de germanium (GeO2), de phosphore (P205) et de Bore (B203). Des sources de chaleur autres que la flamme d'un chalumeau peuvent naturellement être ,utilisées. Les oxydes sont déposés sur la surface intérieure du tube pour former une couche de verre transparente. Les différentes couches sont déposées à chaque passage du chalumeau. L'indice de réfraction est- contrôlé en agissant sur la concentration des dopants à chaque passage du chalumeau. Lorsque l'épaisseur de dépôt souhaité est obtenue sur la surface interne du tube, la température du chalumeau est fortement augmentée afin de rétreindre le tube et de le fermer pour donner un barreau que l'on appelle préforme représentée à la figure 2 avec un coeur 6 et une gaine optique 5. La préforme est ensuite étirée dans un four à graphite de haute pureté pour donner une fibre, qui est enroulée sur un tambour. La longueur de la fibre étant liée aux paramètres géométriques de la préforme et au diamètre extérieur de la fibre désirée, des longueurs de plusieurs kilomètres peuvent être obtenues. Le schéma d'un tour verrier est illustré à la figure 3. Il comprend un plateau 10 "support de chalumeau" qui peut se déplacer le long d'une vis mère 14, ce déplacement entre deux butées 12 et 13 étant obtenu grâce à un moteur 15. Le tube de quartz 1 en rotation 7 est maintenu grâce à deux mandrins 16, 17 en rotation. L'invention permet d'obtenir une fibre à deux coeurs de forme elliptique dont les orientations sont différentes, par exemple orthogonales, et dont la géométrie est maintenue sur plusieurs kilomètres. Elle permet également d'obtenir des fibres à trois ou quatre coeurs dont la géométrie et la disposition sont maintenues sur plusieurs kilomètres. Dans la suite de la description on parlera de "chalumeaux" mais ce peut être tout aussi bien des sources de chaleur à un ou deux foyers. Le procédé de fabrication de l'invention consiste à déposer d'abord la gaine optique de silice dopée soit au bore soit au fluor en ajoutant ou non du phosphore en tant que fondant, par couches successives et ensuite le coeur de silice dopée en germanium dans un tube elliptique de, 20 et 30mm de diamètre extérieur par exemple, en rotation le long duquel se déplace un chalumeau (section de 20mm par exemple). Dans la technique classique MCVD, cette opération est directement suivi d'un rétreint. Dans le procédé de l'invention, après le dépôt, la rotation du tube 1 est rrêtée et le tube 1 est orienté de telle sorte que le petit axe de l'ellipse soit parallèle à l'axe l'axe de chauffe du double chalumeau (20,21), dont chacune des buses a une section d'environ 1 ohm par exemple, comme représenté à la figure 4, l'axe du double chalumeau étant confondu avec le petit axe de l'ellipse. Ce douille chalumeau se déplace le long du tube fixe et provoque un rétreint 25, qui est plus important du côté de la buse supérieure 21 comme représenté à la figure 5. Le tube est tourné de 180 , et l'opération de rétreint avec le double chalumeau 20,21 est reprise, ce qui donne une forme en huit qui permet d'isoler les deux lobes 27 et 28 et d'intervenir séparément sur chacun d'eux, comme représenté sur les figures 6, 10, 17, 21. Le dépôt de quelques couches de gaine optique suivi du dépôt des couches de coeur est ensuite réalisé dans ces deux lobes, suivi d'un prérêtreint du tube afin de diminuer les orifices des deux lobes, le chalumeau à un seul foyer 2 se déplaçant le long du tube en rotation. Dans un premier cas, correspondant à une fibre à deux coeurs de forme elliptique et dont les axes sont orthogonaux, le double chalumeau 20,21 est déplacé et centré sur l'axe d'un des deux lobes comme représenté à la figure 6. L'ovalité du coeur 28 est obtenue en créant une dépression (après fermeture d'une extrémité du tube) de 1200 Pa par exemple pour une vitesse de chalumeau de 80mm/mn par exemple, le tube est toujours immobile, on obtient un tube dont la section est représentée à la figure 7. Le tube est tourné de 90". Le rétreint 30 est effectué à raide d'un chalumeau à une buse avec une dépression de 1200 Pa par exemple et une vitesse de déplacement de 70mm/mn par exemple, le tube restant immobile comme représenté à la figure 8. Ainsi dans ce premier cas pour obtenir une fibre à deux coeurs elliptiques 27 et 28 dont les grands axes sont orthogonaux comme représenté à la figure 12, la source de chaleur à deux foyers, 20, 21 est déplacée et centrée sur l'axe d'un des deux lobes comme représenté à la figure 10, une première dépression étant alors créée à la première extrémité du tube, l'autre extrémité ayant été fermée, le tube étant immobile. Lors de la troisième phase, le tube a été tourné de 900 par rapport à son axe de sx trie comme représenté à la figure 10, le rétreint étant effectué à l'aide du chalumeau à un foyer 2 avec une deuxième dépression créée à la première extrémité du tube, le tube étant toujours immobile. Pour avoir un coeur circulaire dans un des lobes, aucune dépression n'est appliquée, comme représenté aux figures 11 et 14.Pour avoir deux coeurs dans l'un ou l'autre des deux lobes, il suffit d'augmenter la valeur de dépression, le procédé étant identique comme représenté aux figures 13, 14, 15, 16 Ainsi à la fin du procédé de l'invention, on peut obtenir une préforme applatie dont les deux coeurs de forme elliptique 27,28 ont des orientations différentes comme représenté à la figure 12. Ce procédé permet alors grâce à la forme de coeur obtenue par dépression d'obtenir une fibre optique maintenant deux états de polarisation orthogonaux indépendamment dans chacun des deux coeurs sur des longueurs de plusieurs kilomètres. Si on souhaite avoir un dédoublement des coeurs 281 et 282 et/ou 271 et 272 dans l'un ou l'autre des deux lobes, le procédé précédent est identique sauf en ce qui concerne la dépression qui est alors de 2100 Pa pour une vitesse de chalumeau correspondant à celle décrite précédemment, comme représenté aux figures 13, 14, 15,16. Ce procédé permet d'obtenir des fibres à trois ou quatre coeurs, dont l'un peut maintenir la polarisation, cette structure étant maintenue sur plusieurs kilomètres. Dans un deuxième cas, dont les axes de chauffe sont illustrés à la figure 17, correspondant à une fibre à deux coeurs de forme elliptique et dont les grands axes sont parallèles comme représenté aux figures 18 et 27, le tube à deux lobes est placé de telle sorte que le grand axe soit parallèle à l'axe de chauffe de la source de chaleur à un seul foyer 2. L'ovalité du coeur 2S, comme représenté à la figure 25, est obtenue en créant une dépression, après fermeture d'une extrémité du tube, du même ordre de grandeur que précédemment pour une même vitesse de déplacement du chalumeau. On obtient un tube dont la section est représentée à la figure 26. Le tube est tourné de 180 . Le rétreint 30 est effectué à l'aide d'une source de chaleur à un foyer avec une dépression comme précédemment, le tube étant immobile. On obtient un barreau dont la section est représentée aux figures 18 et 27. De même pour avoir un dédoublement des coeurs 281 et 282 et/ou 271 et 272 comme représenté aux figures 19 et 20, il suffit d'augmenter la dépression à 2100 Pa, les conditions de rétreint restant identiques. Dans un troisième cas, dont les axes de chauffe sont illustrés à la figure 21, correspondant à une fibre à deux coeurs de forme elliptique et dont les petits axes sont parallèles comme représenté aux figures 22 et 29, le double chalumeau 20, 21 est déplacé et centré sur l'axe d'un des deux lobes comme représenté à la figure 6. L'ovalité du coeur 28 comme représenté à la figure 7 est obtenue en créant une dépression comme dans le premier cas. Le chalumeau à deux foyers 20, 21 est ensuite déplacé sur l'autre lobe comme représenté à la figure 28. Le rétreint s'effectue avec une dépression comme précédemment pour donner un barreau dont la section est représentée à la figure 29. De même pour avoir un dédoublement des coeurs 281 et 282 et/ou 271 et 272, comme représenté aux figures 23 et 24, il suffit d'augmenter la dépression dans chacun des lobes, les conditions de rétreint restant les mêmes. Dans ce deuxième et dans ce troisième cas, comme décrit dans le premier cas (figures 11 et 14) si aucune dépression n'est appliquée il n'y a pas alors dédoublement du coeur 28 en coeur 281 et 282. Ce procédé comporte une variante qui consiste à déposer le coeur immédiatement après la gaine. Dans ce cas, le premier retreint est précédé d'une attaque fluorhydrique à l'aide du double chalumeau 20, 21, placé dans la configuration de la figure 4. Cette attaque fluorhydrique peut être réalisée par l'intermédiaire d'un gaz fluoré tel que dichlorodifluorométhane CC.t 2F2, tétrafluorure de carbone CF4 ou Hexafluorure de soufre SF6 en présence d'oxygène, de telle sorte que toute la silice dopée au germanium (c'est à dire la couche de coeur) soit enlevée au niveau du double chalumeau. Si de plus, une séparation plus importante des coeurs est souhaitée, un dépôt de verre de même composition que la gaine optique peut être réalisé après ce décapage. Ensuite le procédé de rétreint est celui décrit précédemment. Cette variante supprime la deuxième étape de couches d'oxydes. Le procédé de l'invention est donc basé sur l'utilisation conjuguée de Ceux chalumeaux - un chalumeau produisant une zone de chauffe large. - un chalumeau produisant deux zones de chauffe opposées et locali sées spatialement. Le procédé de l'invention présente les avantages suivants: - I1 ntest pas couteux - I1 ne nécessite aucune intervention mécanique sur la préforme tel que sciage ou patinage pouvant la contaminer en dehors du tour verrier. - Il utilise, éventuellement, une attaque chimique "in-situ" sur le tour verrier afin de mieux controler la géométrie de la structure guidante. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une fibre optique multicoeurs comportant successivement: - une première étape de dépôt d'oxydes à l'intérieur dlun tube de quartz (1), en rotation par rapport à son axe de symétrie, le long duquel est déplacé une source de chaleur (2), et dans lequel sont envoyés des halogénures et de l'oxygène, le tube étant porté à une première température grâce à cette source de chaleur, cette étape consistant à effectuer la phase de dépôt de gaine optique - une deuxième étape pendant laquelle le tube (1) est retreint, la température obtenue au niveau du tube extérieur, grace à cette source de chaleur (2)9 étant augmentee, jusqu'à obtenir un barreau ou préforme. - une troisième étape d'étira6e de cette préforme pour obtenir une fibre de dimensions homothétiqucs de celles de la préforme; caractérisé en ce que pour l'étape de rétreint du tube on utilise deux sources de chaleur: une premiers à deux foyers (20, 21) et une seconde à un foyer (2), et en ce que la deuxième étape comporte les étapes suivantes: - une première étape de rétreint du tube (1), la température obtenue au niveau du tube (1) gracie à cette première source de chaleur (20, 21) étant augmentée, afin d'obtenir un tube de section à deux lobes en forme de huit, cette étape comportant les phases suivantes:: une première phase pendant laquelle la rotation du tube (1) est arrêtée, ce tube étant orienté de telle sorte que le petit axe de l'ellipse soit parallèle à l'axe de chauffe de cette première source (20, 21) de chaleur à deux foyers, cet axe de chauffe étant centré sur l'axe de l'éllipse, cette source se déplaçant le long de ce tube; une deuxième phase pendant laquelle le tube (i) est tourné de 1800 par rapport à son axe de symétrie, Opération de rétreint avec cette source (20, 21) étant reprise, de manière à obtenir un tube de section à deux lobes en forme de huit;; une étape de dépôt de quelques couches d'oxydes de même composition que lors de la première étape, suivi du dépôt de coeur par envoi d'halogénures et ci'oxygène dans chacun des lobes à une température voisine de celle de première étape; - une deuxième étape de rétreint comportant les phases suivantes: une première phase de rétreint de ce tube à deux lobes afin de diminuer la diamètre des deux orifices en utilisant la seconde source (2), 4e tube étant en rotation; une deuxième phase de rétreint de l'un des deux lobes de la section en forme de huit, une première dépression étant alors créée à la première extrémité du tube, l'autre extrémité ayant été fermée, le tube (1) étant immobile. - une troisième phase de rétreint de l'autre lobe, ce tube (1) étant immobile. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant la deuxième phase de la deuxième étape de rétreint, la première source de chaleur à deux foyers (20, 21) est déplacée et centrée sur l'axe d'un des deux lobes, une première dépression étant alors créée à la première extrémité du tube, l'autre extrémité ayant été fermée, le tube étant immobile, et en ce que pendant la troisième phase, le tube est tourné de 90Q par rapport à son axe de symétrie, le rétreint étant effectué à l'aide de la seconde source de chaleur à un foyer (2), le tube étant toujours immobile. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pendant cette troisième phase une deuxième dépression est créée à une extrémité du tube. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant la deuxième phase de la deuxième étape de rétreint, on utilise la seconde source de chaleur à un foyer (2), le grand axe de l'ellipse du tube étant placé le long de l'axe de chauffe, et en ce que pendant la troisième phase de cette deuxième étape de rétreint le tube étant tourné de 1800 par rapport à son axe de symétrie, le rétreint est effectué à l'aide la deuxième source de chaleur à un foyer (2), le tube restant immobile. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que pendant la troisième phase une deuxième dépression est appliquée à l'extrémité du tube. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant la deuxième phase de la deuxième étape de rétreint, la première source de chaleur à deux foyers (20, 21) est déplacée et centrée sur l'axe d'un des deux lobes, et en ce que pendant la troisième phase de cette deuxième étape, la première source de chaleur à deux foyers (20, 21) est déplacée et centrée sur le deuxième lobe. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que pendant la troisième phase une deuxième dépression est appliquée à l'extrémité du tube. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant la première étape de dépôt d'oxydes, les halogénures envoyés dans le tube en quartz sont du tétrachlorure de silicium, du tribromure de Bore et de l'oxytrichlorure de phosphore. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant la première étape, les halogénures envoyés dans le tube en quartz sont du tétrachlorure de silicium, du tétrafluorure de silicium et de l'oxytrichlorure de phosphore. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant la première étape de rétreint du tube, pour le dépôt de coeur les halogénures envoyés dans le tube en quartz sont du tétrachlorure de silicium et du tétrachlorure de germanium. 11. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les sources de chaleur sont des chalumeaux. 12. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la première température obtenue est d'environ 1600 C. 13. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pendant la deuxième étape, la température obtenue est d'environ 22000 C. 14. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tube de quartz (9) a une section de forme elliptique. 15. Fibre optique obtenue par le procédé selon la revendication 1, - caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux coeurs dont l'un au moins a une forme elliptique. 16. Fibre optique obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 6, caractérisé en ce que ces deux coeurs ont une forme elliptique ayant deux grands axes de même direction. 17. Fibre optique obtenue par le procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ce deux coeurs ont une forme elliptique ayant deux grands axes de direction orthogonales. 18. Fibre optique obtenue par le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comprend trois coeurs. 19. Fibre optique obtenue par le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comprend quatre coeurs.