Brevet FR2584101A1 — publié le 19870102

Dispositif pour fabriquer un composant optique à gradient d'indice de réfraction. La présente invention concerne un dispositif pour fabriquer un composant optique à gradient d'indice de réfraction. Ce dispositif est d'un type comportant - un tube ouvert à ses deux extrémités dans lequel est disposé longitudinalement un support en silice, - des moyens pour faire s'écouler dans le tube d'une de ses extrémités à l'autre un mélange de gaz comprenant un halogènure de silicium, de l'oxygène, et au moins un composé d'un élément dopant, - des moyens pour provoquer sur le support le dépôt d'une couche de silice provenant du mélange de gaz s'écoulant dans le tube, la silice étant formée par réaction de l'halogènure de silicium avec l'oxygène et étant dopée par ledit élément dopant, - et des moyens pour faire varier la composition du mélange s'écoulant dans le tube, afin d'obtenir sur le support N couches successives de silice par N actions successives, sur N compositions différentes du mélange, desdits moyens pour provoquer sur le support le dépôt d'une couche, ces N compositions différentes étant choisies pour que les indices de réfraction n1, n2 ...... nN de ces couches varient en fonction de l'épaisseur du dépôt suivant une loi prédéterminée, ledit composant optique étant obtenu à partir du support recouvert des N couches. Les composants optiques à gradient d'indice de réfraction se distinguent des composants optiques conventionnels, tels que les lentilles, par le fait qu'ils sont formés d'un matériau optique dont l'indice de réfraction varie continûment à l'intérieur du composant. Dans l'article américain "Gradient index optics : a review" (D.T. Moore) extrait de APPLIED OPTICS vol. 19, nO 7, 1er Avril 1980, pages 1035 à 1038, est indiqué qu'il est possible de réaliser des composants optiques à gradient d'indice de réfraction par la méthode de déport en phase vapeur couramment employée pour la fabrication des fibres optiques. Cette méthode peut être mise en oeuvre par un dispositif du type mentionné plus haut dans lequel les moyens pour provoquer sur le support le dépôt d'une couche de silice sont constitués par des moyens de chauffage, entourant une portion de la longueur du tube, ces moyens étant déplacés d'une extrémité à l'autre du tube pour le dépôt de chaque couche. Dans le cas des fibres optiques, le dépôt est effectué sur la surface interne du tube. Corme le tube est chauffé à une température proche de sa température de fusion, le nombre de couches est en pratique limité à une centaine pour éviter une déformation inaceptable du tube. Dans ces conditioas, on obtient sur la surface interne du tube des couches successives dont l'indice de réfraction varie radialement suivant une suite de degrés ou d'oscillations, de manière discontinue. Après tirage d'une fibre optique à partir de l'ébauche ainsi constituée, les couches deviennent beaucoup moins épaisses et la fibre semble présenter un gradient radial continu d'indice de réfraction. Si on découpe un tronçon de cette fibre, on obtient un composant optique à gradient radial d'indice de réfraction. Mais un tel composant a un diamètre de l'ordre de 100 micromètres et ne peut être utilisé que pour des applications très particulières. Il n'est pas possible d'utiliser directement l'ébauche, de diamètre beaucoup plus important que la fibre, pour réaliser des composants optiques à gradient d'indice de réfraction de diamètre suffisant pour les applications courantes. Les composants optiques qui pourraient être réalisés par découpe transversale d'une telle ébauche seraient inutilisables par suite du défaut de continuité de la variation de l'indice de refraction. Par ailleurs, il n'est pas possible d'augmenter le nombre de couches tout en diminuant leur épaisseur, afin d'éviter une déformation inacceptable du tube, comme il a été indiqué plus haut. On constate de plus qu'en utilisant le dispositif connu, la proportion des éléments dopants en phase vapeur pouvant être effecti vexent incorporée dans les couches déposées est faible ; il en résulte une faible différence entre les indices de réfraction de la première et de la dernière couche déposée. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif, utilisant la méthode de dépôt en phase vapeur, pour fabriquer des composants à gradient d'indice plus élevés, de dimensions suffisantes pour pouvoir être utilisés dans les applications courantes. La présente invention a pour objet un dispositif pour fabriquer un composant optique à gradient d'indice de réfraction, du type mentionné précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour maintenir dans le tube une pression gazeuse comprise entre 1 et 100 torrs, - et que lesdits moyens pour provoquer sur le support le dépôt d'une couche de silice comportent une source d'ondes périodiques dont la fréquence est comprise entre 100 et 3000 MHz, cette source comprenant un manchon entourant une portion de la longueur du tube et étant capable d'ioniser le mélange de gaz et de provoquer ainsi le dépôt de ladite couche dans ladite portion, et des moyens pour étendre l'ionisation gazeuse à toute la longueur du tube, le nombre N des couches successives déposées étant choisi suffisamment grand pour que la courbe de variation de l'indice de réfraction des couches en fonction de l'épaisseur soit continue. De préférence, le dispositif comporte en outre des moyens pour maintenir, pendant le dépôt des N couches, la température du tube à une valeur nettement inférieure à la température de fusion de la silice, mais suffisante pour éviter la fissuration des couches déposées. Dans un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, les moyens pour étendre l'ionisation gazeuse à toute la longueur du tube comportent des moyens pour déplacer le manchon le long du tube, d'une de ses extrémités à l'autre. Dans un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention, la source d'ondes périodiques est située à une extrémité du tube et comporte une électrode réglable en position pour orienter les ondes périodiques longitudinalement vers l'autre extrémité du tube, et les moyens pour étendre l'ionisation gazeuse à toute la longueur du tube comportent des moyens de réglage de la position de l'électrode. Le tube étant en silice, le support peut être constitué par la paroi interne du tube. Dans ce cas, le tube peut être cylindrique de révolution autour d'un axe ou à section rectangulaire. Le support peut être aussi constitué par une lame optique fixée à l'intérieur du tube. Des formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - et la figure 2 représente schématiquement une source d'onde périodique capable de remplacer plusieurs éléments du dispositif illustré sur la figure 1. Sur la figure 1 est représenté un tube cylindrique en silice 1 ouvert à ses deux extrémités. Une première extrémité du tube 1 débouche à la sortie d'une chambre de mélange 2 comportant trois ouvertures d'entrée de gaz reliées respectivement à trois canalisations 3, 4, 5 par l'intermédiaire de vannes 6, 7, 8 de réglage du débit gazeux. L'autre extrémité du tube 1 est reliée par une canalisation 9 à une pompe à vide 10. La surface cylindrique extérieure du tube 1 est disposée à l'intérieur d'un four 11 comportant un enroulement électrique 12 dont les extrémités sont connectées à une source d'énergie électrique 13. A l'intérieur du four 11 est disposée une source 14 de micro-ondes ayant la forme d'un manchon entourant une portion 15 de la longueur du tube 1. Un système électromécanique 16 disposé à l'intérieur du four est relié électriquement et mécaniquement à la source 14 par des moyens représentés schématiquement en 17. Le système 16 est relié à travers la paroi du four 11 à un circuit d'alimentation électrique 18. Le dispositif représenté sur la figure 1 fonctionne de la manière suivante. On met en marche le four 11 en connectant la source 13 à l'enroulement 12, de manière à maintenir à l'intérieur du four une température de l'ordre de 10000C, nettement inférieure à la température de fusion de la silice. Puis, la pompe 10 étant mise en marche, on ouvre les vannes 6, 7 et 8 pour introduire dans la chambre de mélange 2 les gaz arrivant respectivement par les canalisations 3, 4, 5. Dans la canalisation 3 se trouve un halogénure de silicium tel que Si cl4, dans la canalisation 4 de l'oxygène, et dans la canalisation 5 un composé d'un élément dopant tel que le fluor, par exemple Si F4. Le dopage peut être également réalisé à l'aide d'autres éléments tels que le germanium et l'aluminium. L'ouverture des vannes 6, 7, et 8 est réglable, ce qui permet de régler séparément le débit de chaque gaz. Ces gaz se mélangent dans la chambre 2 et s'écoulent dans le tube 1 vers la pompe 10 dans le sens de la flèche 19. La puissance de la pompe 10 permet de maintenir dans le tube 1 une pression gazeuse comprise entre 1 et 100 torrs. Le circuit 18 comporte un générateur électrique à haute fréquence qui alimente à travers 16 et 17 la source micro-onde 14 dont la fréquence d'émission est comprise entre 100 et 3000 MHz. La source 14 peut délivrer par exemple une puissance de 200 watts à une fréquence de 2.450 MHz, et engendre dans la portion 15 du tube qu'elle entoure un plasma qui ionise le mélange de gaz en circulation, ce qui provoque le dépôt dans cette portion d'une couche de verre sur la paroi interne du tube. Le circuit 18 comporte en outre une source de courant électrique capable d'alimenter le système électromécanique 16. Celui-ci, d'un type connu en soi, comprend un moteur électrique couplé à des organes 17 de transmission mécanique de façon à permettre de déplacer la source microonde 14 le long du tube 1. Au départ, la source 14 est placée à une extrémité 20 du tube 1, les vannes 6, 7, 8 étant réglées à des taux d'ouverture prédéterminés de façon à obtenir sur le tube 1 le dépôt d'une couche de verre d'indice de réfraction n1 par exemple inférieur à celui de la silice pure. Cet indice dépend du débit partiel de l'élément dopant dans le mélange de gaz, la silice du verre étant formée par la réaction de Si C14 sur l'oxygène. Puis on déplace progressivement la source 14 de l'extrémité 20 jusqu'à l'autre extrémité 21 du tube 1, dans le sens de la flèche 22, de façon à déposer la couche d'indice n1 sur toute la longueur du tube. La source 14 étant ensuite ramenée à sa position initiale, on modifie légèrement le réglage des vannes 6 à 8 de manière à provoquer sur la couche n1 le dépôt d'une autre couche d'indice de réfraction n2 dont la valeur est légèrement supérieure à celle de n1, mais encore très inférieure à celui de la silice pure. On dépose ainsi sucessivement plusieurs couches superposées 23 de silice dopée, d'indices de réfraction croissant, la dernière couche n'étant pas dopée pour que son indice de réfraction soit sensiblement égal à celui de la silice pure. La température ambiante de 1000 C maintenueautour du tube 1 par le four 11 permet d'éviter que les couches déposées ne se craquèlent. Cette température est très inférieure à celle de la fusion de la silice. Par ailleurs, l'ionisation du mélange de gaz en circulation est effectuée par la source 14 sans élévation notable de la température des gaz et du tube 1. Donc les déplacements successifs de la source 1 le long du tube pour le dépôt des différentes couches ne peuvent pas entrainer de détérioration du tube 1. Il est alors possible de déposer un nombre considérable de couches très fines. A titre indicatif, on dépose au minimum 400 couches. On fait alors subir au tube 1 revêtu des couches de verre superposées une opération de rétreint, identique à celle bien connue dans la fabrication des fibres optiques. Cette opération consiste à diminuer à chaud à l'aide d'un chalumeau, sur un tour de verrier, le diamètre extérieur du tube, de façon à éliminer la cavité cylindrique axiale qui subsiste dans le tube après réalisation du dépôt. On obtient en définitive un barreau de silice comportant un coeur de silice dopée. Si on trace la courbe donnant les variations radiales de l'indice de réfraction dans le coeur du barreau, on constate que cette courbe est lisse et ne présente pas le "trou central" indésirable obtenu le plus souvent lorsqu'on utilise le dispositif selon l'art antérieur. Si on découpe par sciage transversal une rondelle de ce barreau, on obtient un composant optique à gradient radial d'indice de réfraction. Etant donné que le dépôt des couches s'effectue à une température plus basse, la proportion des éléments dopants en phase vapeur pouvant être effectivement incorporée dans les couches déposées est nettement plus élevée que lorsqu'on utilise le dispositif selon l'art antérieur. il est possible d'obtenir ainsi une différence d'indice plus forte entre la première et la dernière couche. A titre d'exemple, cette différence d'indice peut être comprise entre 0,02 et 0,03. Enfin, il est plus facile de prédéterminer les débits des différents gaz du mélange qu'il est nécessaire de prévoir à chaque couche déposée pour obtenir le profil d'indice désiré. En effet, du fait qu'on opère à faible pression gazeuse, le rendement de dépôt de la silice ne dépend plus de la concentration de l'élément dopant et est voisin de 1. Dans un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, on utilise une source micro-ondes d'un type spécial décrit par exemple dans la demande de brevet français publiée sous le numéro 2.290.126. La figure 2 représente schématiquement en 24 une telle source micro-ondes. Elle comporte une enveloppe métallique en forme de cylindre annulaire comportant une paroi cylindrique 25 entourant coaxialement une portion de la longueur du tube 1, cette paroi présentant à une de ses extrémités une ouverture cylindrique 26 la séparant de la paroi plane adjacente 27 de l'enveloppe, perpendiculaire à l'axe du tube 1. Sur la paroi cylindrique 28 opposée à la paroi 25 est ménagée une ouverture taraudée dans laquelle s'engage un manchon fileté 29 dans l'axe duquel est fixé un câble coaxial 30 disposé radialement par rapport à l'axe du tube 1. A une extrémité du câble 30, le conducteur central de ce câble est connecté électriquement à une petite plaquette métallique 31 disposée en regard et à faible distance de la paroi 27 et à proximité de ltouverture 26, le conducteur périphérique du câble 30 étant connecté à la paroi 28. Le dispositif comporte aussi un four non représenté entourant le tube 1, comme le four 11 de la figure 1. Le câble coaxial 30 traverse la paroi de ce four pour être connecté à un générateur électrique à haute fréquence analogue au générateur alimentant la source 14. Comme il est visible sur la figure 2, la paroi plane 32 de ltenve- loppe 24, opposée à la paroi 27 est disposée à une extrémité du tube 1 perpendiculairement à l'axe de ce tube. Le dispositif selon ce mode de réalisation comporte en outre tous les autres éléments représentés sur la figure 1 à l'exception des organes électromécaniques 16-17. Comme il est indiqué dans la demande de brevet précitée, il est possible de régler la position axiale de la plaquette 31 par rapport à la paroi 25 de manière que le plasma engendré par la source 24 dans les gaz en circulation intéresse non seulement la portion 33 de la longueur du tube 1 reconverti par cette source, mais aussi toute la longueur du tube 1. Le dispositif selon le mode de réalisation illustré partiellement par la figure 2 fonctionne de la façon suivante. La plaquette 31 étant réglée sur la position correspondant à l'ionisation de toute la longueur du tube, on fait circuler le mélange de gaz dans le tube en réglant les débits gazeux du façon à obtenir sur la surface interne du tube 1 une première couche de verre d'indice de réfraction nl. Puis on modifie le réglage des débits gazeux de manière à obtenir une deuxième couche d'indice n2, et ainsi de suite. Le dispositif illustré partiellement par la figure 2 présente bien entendu les mêmes avantages que ceux du dispositif représenté sur la figure 1. il présente l'avantage supplémentaire de réduire la durée de fabrication puisqu'il n'exige plus le déplacement de la source mioro- ondes le long du tube. A titre indicatif, il est possible d'effectuer alors le dépôt d'une couche de verre de un micromètre d'épaisseur en une seconde. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que le tube de silice cylindrique de révolution peut être remplacé par un tube à section carrée ou rectangulaire. Après dépôt des couches de silice dopée sur la surface latérale interne du tube, on peut découper par sciage les faces planes du tube pour obtenir des composants optiques à gradient d'indice axial, l'opération de retreint n'étant pas effectuée dans ce cas. De même, on peut obtenir des composants optiques à gradient d'indice axial en fixant longitudinalement à l'intérieur d'un tube un support de silice plan, tel qu'une lame optique, et en découpant le support revêtu des couches successives déposées. Les composants optiques à gradient d'indice obtenus à l'aide du dispositif selon l'invention peuvent être appliqués notamment aux appareils de photocopie, aux endoscopes médicaux, aux objectifs photographiques ou aux coupleurs pour fibres optiques. REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour fabriquer un composant optique à gradient d'indice de réfraction, comportant - un tube ouvert à ses deux extrémités dans lequel est disposé longitudinalement un support en silice, - des moyens pour faire s'écouler dans le tube d'une de ses extrémités à l'autre un mélange de gaz comprenant un halogènure de silicium, de l'oxygène, et au moins un composé d'un élément dopant, - des moyens pour provoquer sur le support le dépôt d'une couche de silice provenant du mélange de gaz s'écoulant dans le tube, la silice étant formée par réaction de l'halogènure de silicium avec l'oxygène et étant dopée par ledit élément dopant, - et des moyens pour faire varier la composition du mélange s'écoulant dans le tube, afin d'obtenir sur le support N couches successives de silice par N actions successives, sur N compositions différentes du mélange, desdits moyens pour provoquer sur le support le dépôt d'une couche, ces N compositions différentes étant choisies pour que les indices de réfraction n1, n2 ....... nN de ces couches varient en fonction de l'épaisseur du dépôt suivant une loi prédéterminée, ledit composant optique étant obtenu à partir du support recouvert des N couches, caractérisé en ce qu' - il comporte en outre des moyens (9-10) pour maintenir dans le tube (1) une pression gazeuse comprise entre 1 et 100 torrs, - et que lesdits moyens pour provoquer sur le support le dépôt d'une couche de silice comportent une source (14) d'ondes périodiques dont la fréquence est comprise entre 100 et 3000 MHz, cette source comprenant un manchon entourant une portion (15) de la longueur du tube (1) et étant capable d'ioniser le mélange de gaz et de provoquer ainsi le dépôt de ladite couche (23) dans ladite portion, et des moyens (16 à 18) pour étendre l'ionisation gazeuse à toute la longueur du tube (1), le nombre N des couches successives déposée étant choisi suffisamment grand pour que la courbe de variation de l'indice de réfraction des couches en fonction de l'épaisseur soit continue. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (11 à 13) pour maintenir, pendant le dépôt des N couches, la température du tube (1) à une valeur nettement inférieure à la température de fusion de la silice, mais suffisante pour éviter des fissurations des couches déposées. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour étendre l'ionisation gazeuse à toute la longueur du tube comportent des moyens (i6 à 18) pour déplacer le manchon le long du tube (1), d'une (20) de ses extrémités à l'autre (21). 9/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en oe que la source (24) d'ondes périodiques est disposée à une extrémité du tube (1) et comporte une électrode (31) réglable en position pour orienter les ondes périodiques vers l'autre extrémité du tube (1), et que les moyens pour étendre l'ionisation gazeuse à toute la longueur du tube comportent des moyens (29) de réglage de la position de l'électrode (31). 5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (1) étant en silice, le support est constitué par la paroi interne du tube. 6/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube (1) est cylindrique de révolution autour d'un axe. 7/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube (1) est à section rectangulaire. 8/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support est constitué par une lame optique fixée à l'intérieur du tube.