Brevet FR2724234A1 — publié le 19960308

FIBRE OPTIQUE MONOMODE A DISPERSION DECALEE La présente invention concerne une fibre optique monomode à dispersion décalée. Les fibres optiques monomodes dites à dispersion décalée sont telles qu'à la longueur d'onde de transmission à laquelle elles sont utilisées, qui est en général différente de 1,3 pm (longueur d'onde à laquelle la dispersion de la silice est sensiblement nulle), la dispersion chromatique de ronde transmise est sensiblement nulle, c'est-à-dire que la dispersion chromatique de la silice, non nulle, est compensée (d'ou remploi du terme "décalée") notamment par une augmentation de récart indice M0 entre le coeur et la gaine optique. La longueur d'onde de transmission choisie à l'heure accelle pour les fibres de ligne, c'est- > dire les fibres destinées à assurer les transmissions à longue distance, par exemple dans le cadre des liaisons transocéaniques, est sensiblement égale à 1,55 Clam. En effet, c'est à cette longueur d'onde qu'il est possible d'obtenir une atténuation minimale de transmission de la lumière, de tordre de 0,2 dslkm. Ainsi, dans le cadre de la présente invention, les fibres considérées sont destinées à être utilisées à une longueur d'onde de 1,55 pm, la plus efficace pour la transmission. Par ailleurs, on sait bien que les fibres optiques monomodes ont une largeur de bande bien plus grande que les fibres multimodes, et c'est pourquoi les développements actuels et futurs de lignes de transmission à longue distance sont axés sur les fibres optiques monomodes. En conséquence, la présente invention s'attache tout particuliérement aux fibres optiques monomodes à dispersion décalée destinées à être utilisées à une longueur d'onde sensiblement égale à 1,55 m. Plus précisément, I'invention se rapporte à de telles fibres optiques pour lesquelles les pertes par courbure ne dépassent pas 0,005 dB/m lorsque le rayon de courbure est de 30 mm. En effet, il est bien connu qu'une telle limitation des pertes par courbure est nécessaire pour assurer un fonctionnement dans des conditions de transmission correctes pour la fibre optique. A l'heure actuelle, de nombreux profils de fibres optiques monomodes à dispersion décalée sont étudiés et amplement décrits dans la littérature. Les profils les plus simples connus, dits en "échelon", trapèze" ou "triangle". sont tels que l'indice de réfraction au niveau du coeur varie en fonction de la distance à raxe de la fibre, de sorte que sa représentation en fonction de cette distance conduit à une courbe formant respectivement un rectangle, un trapèze ou un triangule, rinece au niveau de la gaine optique entourant le coeur étant constant et inférieur à celui du coeur. On connait aussi un profil dit à "piédestal", dans lequel la partie centrale formant le coeur "intérieur" de la fibre optique est entourée successivement d'un coeur "extérieur" d'indice de réfraction inférieur à celui du coeur intérieur, puis dune gaine optique d'indice inférieur à celui du coeur extérieur. On connaît également un profil du type dit à "trapèze et anneau central", représenté très schématiquement en figure 1, où l'on voit la courbe donnant l'indice de réfraction n dans la fibre en fonction de la distance d à l'axe de la fibre. Dans ce profil, b coeur C comprend:: - une partie centrale 10 d'indice maximal nS+n dont indice varie de manière à donner à la courbe une forme de trapèze, et dans les cas limites, de trangle ou de rectangle, - une couche Il d'indice ns, par exemple constant et inférieur à ns+#n, entourant la partie centrale 10, - une couche 12 entourant la couche 11 et d'indice ns+h#n (0 La couche 12 est entourée d'une couche de gaine G d'indice égal à ns. En pratique, le terme "trapèze" employé pour la partie centrale 10 du coeur C recouvre les formes limites de triangle et de rectangle. On connaît enfin, ainsi que décrit dans l'article intitulé "Transmission characteristics of a coaxial optical fiber line", publié dans Joumal of Lightwave Technology, Vol. 11, N011, Novembre 1993, un profil du type dit à creux central enterré", représenté très schématiquement en figure 2, où l'on voit la courbe donnant l'indice de réfraction n dans la fibre optique en fonction de la distance d à l'axe de la fibre.Dans ce profil, le coeur C' comprend une partie centrale 20 d'indice minimal ns+h#n (h On rappelle que, bien évidemment, tous les profils qui viennent d'être évolués ont une symétrie de révolution autour de l'axe de la fibre optique. Tous ces profils permettent d'obtenir une dispersion chromatique sensiblement nulle à 1,55 m ainsi que des pertes par atténuation et courbure faibles. Toutefois, un souci constant dans le cadre du développement des liaisons longue distance utilisant des fibres optiques est d'améliorer encore la qualité de la transmission et d'en diminuer le coût Or la qualité de la transmission est liée au rapport signal à bruit le long de la liaison, le bruit provenant de rémission spontanée amplifiée générée par les amplificateurs appartenant aux répéteurs utilisés au sein de la ligne de transmission, et l'on a montré que ce rapport signal à brut est lui-méme inversement proportionnel à une fonction F dite de pénalité de la fibre, qui dépend de la distance entre amplificateurs Z, de la surface effective de mode Seff de la fibre optique utilisée, du facteur inversion de population n, de l'atténuation linéique a et des coefficients de couplage C1 et C2 respectivement en entrée et en sortie de l'amplificateur. La fonction de pénalité F est ainsi donnée par la formule: On comprend d'aprés cette formule que, pour améliorer la qualité de b transmission, on peut chercher: - à réduire le facteur d'inversion de population nsp, toutes choses égales par valeurs, ceci demande cependant des mises au point complexes au niveau de la longueur d'onde de pompage et donc au niveau des composants de la ligne autres que la fibre optique, - à réduire ratténuation a; toutefois, cette demière étant déJa très faible à 1,55 pm (voisine en pratique de 0,2 dBlkm), I'influence de la réduction que l'on peut escompter n'est pas notable sur la fonction de pénalité F, - à influer sur les coefficients de couplage C1 et C2; ceci fait également intervenir les composants de la ligne autres que la fibre optique et demande donc des mises au port complexes, - à augmenter la surface effective de mode Seff; ceci permet effectivement draugmenter la qualité de la liaison. On a représenté en figure 3 la fonction de pénalité F en dB d'une fibre optique utilisant la transmission de type Soliton en fonction de la distance entre amplificaleurs Z en km pour une fibre optique connue de surface effective de mode égale à 50 m2 (courbe 30), et pour une fibre optique théorique de surface effective de mode égale à 70 pm2 (courbe 31), tous les autres paramètres dont dépend F étant donnes et égaux par ailleurs. On constate que, à fonction de pénalité donnée, c'est-à-dire rapport signal à bruit donné, plus la surface effective de mode est élevée, plus la distance entre amplificateurs est élevée, ce qui permet de diminuer le nombre de rélleurs utilisés et donc le cout du système. De meme, on constate qu'à distance entre amplificateurs donnée, plus la surface effective de mode est élevée, plus la fonction de pénalité est faible, c'està-dire meilleure est la qualité de transmission. Ainsi, pour améliorer la qualité de la transmission, ou bien encore, de manie équivalente, diminuer le nombre de répéteurs utilisés à qualité de la liaison donnée, oe qui permet de réduire le court de la liaison, il est intéressant d'accroître b surface effective de mode. Avec les profils d'indice simples, tels que les profils en échelon, trapèze ou tringle, pour obtenir une dispersion chromatique sensiblement nulle à 1,55 m, c'est-å-dire pour compenser la dispersion chromatique de la silice à 1,55 m, il est nécessaire d'augmenter la différence d'indice entre le coeur et la gaine, ce qui entreihe nécessairement une diminution de la surface effective de mode. Ainsi, pour obtenir de fortes surfaces effectives de mode tout en assurant une dispersion chromatique sensiblement nulle à 1,55 m, il est nécessaire de choisir des profils d'indice plus complexes tels que les profils représentés aux figures 1 et 2. Jusqu'à présent, les études menées sur le profil du type trapèze et anneau central ont conduit à des surfaces effectives de mode ne dépassant pas 50 à 60 Aucune étude n'a été menée pour le moment sur le profil à creux central entent permettant de déterminer une surface effective de mode. Le but de la présente invention est donc d'optimiser les paramètres géométriques des profils connus permettant d'obtenir des surfaces effectives de mode supérieures à celles obtenues avec les profils classiques, afin de réaliser des fibres optiques monomodes à dispersion chromatique nulle au voisinage de 1,55 m et à surface effective de mode supérieure à 65pm', tout en maintenant une atténuation et des pertes par courbure équivalentes à celles obtenues avec les fibres optiques connues. La présente invention propose à cet effet une fibre optique monomode à dispersion chromatique sensiblement nulle au voisinage de 1,55 m, comprenant un coeur optique comportant: - une partie centrale dont l'indice de réfraction en fonction de la distance à raxe de ladite fibre optique varie entre un indice minimal ns et un indice maximal ns+#n, an étant strictement positif, ledit indice étant représenté par une courbe ayant sensiblement la forme d'un trapèze, - une première couche entourant ladite partie centrale, d'indice sensiblement égal ns, - une deuxième couche entourant ladite première couche, d'indice variant entre ns et nslhssn, avecO - y : rapport entre le rayon de ladite première couche et a, avec x x1 (r) = 0.25 - 0.2r :# x2 (r) = 0.45 et lorsque r > 0.5: x1(r) = 0.15 # x2(r) = 0.6 - 0.3r 2 ) y1(x, r) # y # y2 (x, r ) avec: y2(x, r) = y1(x, r) + (1 + r) x et: lorsque r # 0.5 : x # 0.3: y1(x, r) = 4/3 rx + x - 0.2r # x > 0,3: y1(x, r) = 3x + 0.2r - 0.6 lorsque r > 0,5 : x # 0,3: y1(x, r) = 10/3 rx - 0,5r + 0,15 # x > 0,3: y1(x,r) = 3x + 0.5r - 0,75 3 ) 0,3 # 2(1 - y)h # 0.45 + 0.3r x(1 + r) En pratique, la relation donnée au 3 ) fixe les valeurs limites du rapport entre d'une part raire de la surface délimitée par la courbe donnant n en fonction de d pour l'anneau central du profil, et d'autre part raire de la surface délimitée par la courbe donnant n en fonction de d pour le trapèze. Avec la fibre optique à profil de type trapèze et anneau central selon l'invention, on obtient des surfaces effectives de mode supérieures à 85 m2, et allant jusqu'à 85 m2. Ceci permet, à qualité de la liaison donnée, d'accroître la distance entre amplificateurs de 10 à 30%. La présente invention propose également, pour résoudre le problème posé, une fibre optique monomode à dispersion chromatique sensiblement nulle au voisinage de 1,55 pm, comprenant un coeur optique comportant: - une partie centrale d'indice variable avec la distance à raxe de ladite fibre optique entre un indice minimal n?hAn, avec -1 h1(y)=-6.56 + 14.96y - 8.71y2 et, h2(y)=-6.2 + 16.78y - 11,61 y2 2 )-2,33y + 0.6 Avec la fibre optique à profil de type creux central enterré selon invention, on obtient des surfaces effectives de mode supérieures à 65 pm2, et allant jusqu'à 95 m2. Ceci permet également, à qualité de la liaison donnée, d'accroître la distance entre amplificateurs de 10 à 40%. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description suivante de modes de mise en oeuvre de la présente invention, donnés à titre illustratif et nullement limitatif. Dans les figures suivantes: - la figure I montre en fonction de la distance d à raxe de la fibre optique les variations de l'indice de réfraction n des différentes couches pour une fibre monomode à -il du type à trapèze et anneau central, - la figure 2 montre en fonction de la distance d à l'axe de la fibre optique les variations de indice de réfraction n des différentes couches pour une fibre monomode à profl du type à creux central enterré, - la figure 3 montre, en fonction de la distance Z entre amplificateurs, la fonction de pénalité F d'une fibre optique monomode à dispersion chromatique sensiblement nulle à 1,55 pm utilisant la transmission de type Soliton, - la figure 4 montre, en fonction de la distance d à l'axe de la fibre optique, les variations de l'indice de réfraction n théoriques et réelles des différentes couches d'une fibre optique monomode à profil du type à trapèze et anneau central. Les figures 1 à 3 ont été décrites lors de l'exposé de f'état de la technique. Ainsi qu'énoncé plus haut, les profils connus du type à trapèze et anneau central et du type à creux central enterré permettent, par un choix de leurs paramètres géométriques effectué selon les critères de la présente invention, d'obtenir des surfaces effectives de mode bien plus élevées que celles obtenues d'une part avec les profils dassiques du type à échelon, trapèze ou triangle, et d'autre part avec les profils à trapèze et anneau central et creux central enterré tels que mis en oeuvre dans rart antérieur.La présente invention permet ainsi d'optimiser le choix des paramètres géométriques de ces profils pour satisfaire les exigences requises en termes de surface effective de mode, de dispersion chromatique, d'atténuation et de pertes par courbure. On expose ci-après trois exemples de mise en oeuvre possibles de a laprésente invention, donnant les valeurs des paramètres géométriques définis plus haut et vérifiant les relations de l'invention, ainsi que la surface effective de mode, la dispersion chromatique à 1,55 pm, la longueur d'onde de coupure, ratténuation et les pertes par courbure obtenues avec les profils possédant ces caractéristiques. On rappelle au préalable que toutes les caractéristiques géométriques des profils selon l'invention sont fonction de deux paramètres de base : le rayon total a du coeur de la fibre et la différence d'indice An entre l'indice maximal du coeur et indice de la gaine optique. Ces paramètres fondamentaux peuvent être déterminés de manière classique afin de répondre aux exigences essentielles pour les fibres optiques dans le cadre de la présente invention, ces exigences étant les suivantes: - dispersion chromatique sensiblement nulle, c'est-à-dire en pratique inférieure à 1 ps"(nm.km) au voisinage de 1,55 Clam, - longueur d'onde de coupure Bc telle que:1,4 pm On rappelle brièvement comment choisir les paramètres a et An pour satisfaire les critères précédents dans le cas d'un profil du type à trapèze et anneau central, le raisonnement s'appliquant de manière similaire au profil du type à creux central entemé, De manière connue, la dispersion chromatique C peut être mise sous la forme d'une fonction de la longueur d'onde A comme suit: #n d2(VB) C(#) = M(#) - V + #(#) (1), c# dV2 où:: - M(#) est un terme connu caractérisant la dispersion chromatique de la silice pure à la longueur d'onde A (M(#) vaut environ 22 ps/(nm.km) à 1,55 pm), d2 (VB) - V est un terme caractérisant la dispersion du guide, V étant la fréquence dV2 normalisée et B l'indice effctif normalisé (on rappelle que l'indice effectif est l'indice effectivement "vu" par l'onde lumineuse se propageant dans le coeur), fonction de V, - c est la célérité de la lumière dans le vide, - s(A) est un terme négligeable. Etant donné que ron cherche à avoir une longueur d'onde de coupure #c telle que le guidage soit monomode entre 1,4 et 1,55 pm, on peut en déduire un intervalle délimitant les vanations de la fréquence normalisée V, et donc un intervalle correspondant pour B.On peut donc déduire an de réquation (1), puis a de l'équation (2) donnant la fréquence normalisée: n5 étant l'indice de la gaine optique et A la longueur d'onde de fonctionnement De manière générale, pour les fibres optiques ayant un profil du type à trapèze et anneau central, le rayon de coeur a peut être choisi, pour vérifier les con Pour les fibres optiques ayant un profil du type à creux central enterré, le rayon de coeur a peut être choisi, pour vérifier les conditions précédentes, entre 2,5 et 4 pm, et la différence indice an entre 12 12.10-3 et 20.10-3. D'autre part, pour le profil du type à trapèze et anneau, le choix de la valeur de r peut être quelconque entre 0 et 1, et l'on comprend bien que le terme "trapèze" doit être pris au sens large dans le cadre de la présente invention, comme incluant les se limites où r est égal à 0 (le trapèze est alors un triangle) ou bien égal à 1 (le trapèze est alors un rectangle). 11 en est de même pour la valeur de y du profil du type à creux central enterré, y pouvant être choisi de manière quelconque entre 0 et 1 au sens strict ExemPle I Dans cet exemple, la fibre optique est du type à trapèze et anneau central. Les valeurs des différents paramètres caractéristiques de la fibre sont les suivantes: - a = 6,97 m, - #n = 10.10-3, -r=0,6 - x = 0,35, - y = 0,69, - h = 0,325. Avec une telle fibre, la dispersion chromatique est de 0,685 ps,(nm.km) à 1558 nm, la longueur d'onde de coupure de 1,48 pm et l'atténuation de 0,20 dB/km. Les pertes par courbure sont inférieures à 0,005 dB/m pour un rayon de courbure de 30 mm. La surface effective de mode est de 71 pm2. Exemple 2 Dans cet exemple, la fibre optique est du type à creux central enterré. Les valeurs des différents paramètres caractéristiques de la fibre sont les suivantes: - a = 3,07 m, - M = 15,6.10-3, y=0,56, -h=-0,55. Avec une telle fibre, la dispersion chromatique est de 0,7 ps/(nm.km) à 1558 nm, la longueur d'onde de coupure de 1,485 m et l'atténuation de poudre de 0,21 dB/km. Les pertes par courbure sont inférieures à 5.i0-7 dB/m. La surface effective de mode est de 71,9 m2. Exemple 3 Dans cet exemple, la fibre optique est du type à creux central enterré. Les valeurs des différents paramètres caractéristiques de la fibre sont les suivantes: - a = 3,3 m, - #n = 14,7.10-3, - y = 0,606, -h=-0,599. Avec une telle fibre, la dispersion chromatique est de 0,7 ps/(nm.km) à 1558 nm, la longueur d'onde de coupure de 1,485 pm et l'atténuation de l'ordre de 0,21 dBlkm. Les pertes par courbure sont inférieures à 10~3 dB/m. La surface effective de mode est de 89,8 m2. Bien évidemment, la présente invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre particuliers qui viennent d'être décrits. Notamment, lorsque l'on évoque des formes géométriques précises comme des trapèzes, des triangles, des rectangles, etc..., il est bien évident qu'en pratique, les profils obtenus peuvent différer plus ou moins sensiblement des profils théoriques, et il a été montre dans la littérature que ces différences, si elles restent contrôlées, ne changent pas les propriétés attendues pour les fibres optiques concernées. A titre d'exemple, on montre en figure 4 un profil réel 40 du type à trapèze et anneau central, tel que mesuré sur une fibre optique; on montre que ce profil réel 40 est équivalent au profil théorique 41 également représenté en figure 4.Pour plus de détails sur une telle équivalence, on peut se reporter au brevet US 406 518 de la société Hitactii. D'autre part, il est bien évident que ranneau central du profil du type à trapèze et anneau central n'a pas nécessairement b forme théorique d'un rectangle, mais peut également prendre la forme théorique d'un trapèze ou d'un triangle, et plus généralement en pratique toute forme équivalente à ces demières. Ainsi, pour les fibres selon l'invention, il est important que les paramètres géométriques (distances à l'axe de la fibre, différences d'indices) vérifient sensiblement les relations de l'invention, mais il n'est pas nécessaire que la forme réelle des courbes soit exactement conforme à la forme géométrique théorique pour le profil consoléré. Enfin, on pourra remplacer tout moyen par un moyen équivalent sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1/ Fibre optique monomode à dispersion chromatique sensiblement nulle au voisinage de 1,55 pm, comprenant un coeur optique comportant: - une partie centrale dont l'indice de réfraction en fonction de la distance à l'axe de ladite fibre optique varie entre un indice minimal n5 et un indice maximal ns=#n, An étant strictement positif, ledit indice étant représenté par une courbe ayant sensiblement la forme d'un trapèze, - une première couche entourant ladite partie centrale, d'indice sensiblement égal à ns, - une deuxième couche entourant ladite première couche, d'indice variant entre n5 et ns + h#, avec 0 1 ) x1 (r) s x x1 (r) = 0,25 - 0.2r x2 (r) = o, 45 et lorsque r > 0.5: x1(r) = 0.15 x2(r) = 0,6 - 0,3r 2 ) y1(x, r) # y # y2 (x, r) avec : y2 (x, r) = y1 (x, r) + (1 + r)x et : lorsque r # 0, 5 x # 0.3: y1 (x, r) = 4/3rx + x - 0.2r x > 0,3: y1 (x, r) = 3x + 0,2r - 0.6 lorsque r > 0,5 x # 0.3: y1 (x, r) = 10/3rx - 0,5r + 0.15 # x > 0,3: y1 (x,r) = 3x + 0.5r - 0.75 2(1 - y)h 3 ) 0,3 # # 0,45 + 0,3r x(1 + r) 2/ Fibre selon la revendication 1 caractérisée en ce que a est compris entre 2 et 9 m@ et an est compris entre 8.10-3 et 20.10-3.