Brevet FR2740563A1 — publié le 19970430

FIBRE OPTIQUE COMPRENANT UN DOPANT FLUORESCENT La présente invention conceme une fibre optique comprenant au moins un dopant fluorescent, et en particulier une fibre adaptée à être utilisée dans des lasers ou des amplificateurs 9 fibres optiques. Les dispositifs dans lesquels est utilisée une fibre contenant un dopant fluorescent susceptible d'interagir avec un signal d'excitation, appelé signal de pompe, en vue d'obtenir le signal de sortie souhaité, c'est-à-dire celui d'un oscillateur optique ou d'un amplificateur optique, font l'objet de nombreuses études à l'heure actuelle. Dans les lasers et les amplificateurs, on utilise le même type de fibre optique: il s'agit d'une fibre optique de structure classique, ayant un coeur optique destiné au guidage de la majorité des ondes lumineuses et dopé au moyen d'un dopant fluorescent, entouré d'une gaine optique. Deux types de signaux sont véhiculés par une telle fibre optique: les signaux de pompe, et des signaux utiles transportant l'information, dits signaux à transmettre. Le dopant fluorescent peut être un élément à trois ou quatre niveaux de transition.Ce peut être par exemple une terre rare, telle que l'erbium. Le fonctionnement d'un dispositif utilisant l'effet de fluorescence repose sur le principe de base suivant: les ions de dopant fluorescent, dits ions actifs, initialement dans leur état fondamental, absorbent les photons du signal de pompe, ce qui a pour effet de les transférer à un niveau de transition supérieur excité; ce phénomène est appelé inversion de population, et les ions de dopant se trouvant dans cet état excité sont dits inversés. A partir de ce niveau excité, les ions inversés pourront ultérieurement revenir dans leur état fondamental en émettant un photon, c'est-à-dire par l'intermédiaire d'une transition laser.Dans un dispositif du type laser ou amplificateur optique, cette émission est stimulée par la présence d'un photon du signal 9 transmettre et par conséquent, le fonctionnement d'un tel dispositif dépend également de l'interaction des ions actifs avec les photons de ce signal à la longueur d'onde de ce demier. Afin d'obtenir l'inversion de population essentielle pour le fonctionnement laser, il est nécessaire de pomper au moins la moitié des ions actifs depuis leur état fondamental jusqu'au niveau supérieur excité. En un point particulier du coeur de la fibre optique, si moins de la moitié des ions actifs est inversée, le signal à transmettre est atténué en ce point, car les ions actifs non inversés absorbent les photons. Par conséquent, en vue d'utiliser au mieux la puissance de pompe injectée dans une fibre optique dopée à l'aide d'un dopant fluorescent, il est préférable de confiner le dopant actif dans la zone de la fibre coïncidant avec le pic de l'intensité de la pompe, c'est-à-dire autour de l'axe de la fibre, et d'éviter que des ions actifs se trouvent là où l'intensité de la pompe est plus faible. Le signal monomode possède également son maximum d'intensité sur l'axe de la fibre, de sorte qu'il interagit de manière efficace avec les ions inversés. Une solution connue pour confiner le dopant fluorescent là où se trouve le pic d'intensité de la pompe est décrite dans le brevet US4 923 279. Elle consiste à subdiviser le coeur en deux zones, une zone centrale (ou zone active) contenant le dopant fluorescent, et une zone périphérique en contact avec la zone centrale, ne contenant pas de dopant fluorescent. De manière classique, la zone centrale est également dopée en aluminium, d'une part pour éviter l'effet de ségrégation ("clustering") des ions d'erbium dans le coeur, la ségrégation diminuant nettement les performances de la fibre dopée pour des raisons qu'il est inutile d'expliquer en détail ici, et d'autre part comme dopant élévateur d'indice. Par ailleurs, afin d'obtenir un guidage monomode dans le coeur, la zone périphérique est dopée avec un ou plusieurs dopants élévateurs d'indice. On rappelle que l'on parle de dopants élévateurs d'indice par rapport à l'indice de la gaine optique, qui est en général sensiblement égal à celui de la silice pure. Cette solution n'est cependant pas satisfaisante. En effet, les dopants élévateurs d'indice connus, notamment l'aluminium, le germanium et le phosphore, provoquent également une diminution de la température de ramollissement de la silice dans laquelle ils sont incorporés. Ainsi, les deux zones voisines du coeur (centrale et périphérique) ont des températures de ramollissement réduites . Or, lorsque la préforme est fabriquée par une méthode CVD (Chemical Vapor Deposition), I'opération de rétreint de la préforme effectuée à température élevée, supérieure à la température de ramollissement des différentes zones du coeur, conduit à un ramollissement important du coeur. Les dopants des différentes zones de ce dernier ont ainsi tendance à interdiffuser, et notamment le dopant fluorescent migre vers la zone périphérique du coeur et n'est donc plus confiné dans la zone centrale. Ceci diminue donc de manière fort préjudiciable l'efficacité du pompage. La présente invention a pour but d'éviter la migration du dopant fluorescent hors de la zone active. Elle propose à cet effet une fibre optique comprenant un coeur optique à base de silice destiné à guider la majorité des ondes lumineuses et contenant au moins un dopant fluorescent, entouré d'une gaine optique également à base de silice, d'indice de réfraction inférieur à celui dudit coeur, ledit coeur comprenant:: - une zone centrale de rayon aO, contenant ledit dopant fluorescent, - une zone périphérique de rayon a, entourant ladite zone centrale, d'indice de réfraction supérieur à celui de ladite gaine et ne contenant pas de dopant fluorescent, caractérisée en ce que ledit coeur comprend en outre une zone intermédiaire de rayon a1, peu ou non dopée en dopants accroissant son indice de réfraction de sorte que son indice de réfraction est supérieur ou égal à celui de ladite gaine optique et inférieur à celui de ladite zone périphérique et que sa température de ramollissement est supérieure à celles de ladite zone centrale et de ladite zone périphérique, ladite zone intermédiaire étant telle que a0 La zone intermédiaire interposée entre la zone centrale et la zone périphérique et contenant peu ou pas de dopants élévateurs d'indice (c'est la zone périphérique qui permet d'obtenir la différence d'indice nécessaire au confinement du signal dans le coeur de la fibre optique) de sorte que sa température de ramollissement est nettement supérieure à celle de la zone contenant le dopant fluorescent, constitue ainsi une barrière à la migration de ce dopant lors des différentes opérations durant lesquelles la préforme est chauffée au-dessus de la température de ramollissement des zones contenant les dopants élévateurs d'indice (rétreint notamment). Le dopant fluorescent reste donc confiné dans la zone centrale du coeur, de sorte que l'efficacité souhaitée est effectivement obtenue. Dans l'art antérieur décrit, le facteur de confinement E du dopant fluorescent, qui, pour une distribution gaussienne de l'intensité de pompe ou de celle du signal à transmettre, est sensiblement égal au rapport du rayon de la zone active sur le rayon de mode du signal de pompe ou du signal à transmettre par la fibre, est de l'ordre de 50%. Avec la fibre selon l'invention, le facteur de confinement est inférieur à 10%, ce qui représente une amélioration d'un facteur cinq ou plus par rapport à l'art antérieur. Par ailleurs, grâce à l'invention, il est possible de contrôler facilement à la fois le diamètre de la zone active, puisque la présence de la zone intermédiaire permet de ne pas modifier le confinement initial lors de l'opération de rétreint, et le diamètre de mode, qui est fonction notamment de la différence entre l'indice de la zone périphérique et celui de la gaine ainsi que du rayon du coeur, puisque l'on peut à loisir, et dans les limites connues classiquement, ajouter des dopants élévateurs d'indice dans cette zone périphérique sans que cela soit préjudiciable, comme dans l'art antérieur, au confinement du dopant actif. L'invention s'applique de manière générale quel que soit le dopant fluorescent utilisé, à trois ou quatre niveaux de transition ; elle est particulièrement avantageuse lorsque ce dopant, par exemple l'erbium, possède trois niveaux de transition. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description suivante d'une fibre selon l'invention, donnée à titre illustratif et nullement limitatif. Dans les figures suivantes: - la figure 1 représente en coupe transversale une fibre optique selon l'invention, - la figure 2 représente le profil d'indice de la fibre optique de la figure 1 selon une première variante de l'invention, - la figure 3 représente le profil d'indice de la fibre optique de la figure 1 selon une deuxième variante de l'invention, - la figure 4 représente le profil d'indice de la fibre optique de la figure 1 selon une troisième variante de l'invention. Dans ces figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence. On voit en figure 1 une coupe transversale d'une fibre optique 1 selon l'invention, qui comprend, disposées coaxialement de l'intérieur vers l'extérieur: - une zone centrale 2 constituant la zone active, à base de silice contenant un dopant fluorescent tel que l'erbium, ainsi que de l'aluminium, et éventuellement d'autres dopants élévateurs d'indice tels que le germanium par exemple, - une zone intermédiaire 3 selon l'invention, à base de silice peu ou non dopée de sorte que son indice de réfraction est inférieur à celui de la zone centrale 2 et sa température de ramollissement supérieure à celle de la zone centrale 2, - une zone périphérique 4 à base de silice dopée de sorte que d'une part son indice de réfraction est supérieur à celui de la zone intermédiaire 3 et au moins égal à celui de la zone centrale 2, et d'autre part sa température de ramollissement est inférieure à celle de la zone centrale 2, par exemple à l'aide de dopants tels que le germanium, le phosphore, etc... - une gaine optique 5 à base de silice non dopée ou dopée de sorte que son indice de réfraction est inférieur à celui de la silice, par exemple à l'aide de fluor. Le coeur 6 de la fibre optique 1 est constitué des zones centrale 2, intermédiaire 3 et périphérique 4. Le rayon de la zone centrale 2 est noté aO, celui de la zone intermédiaire 3 est noté a1, et celui du coeur 6 est noté a. La différence entre l'indice de réfraction de la zone périphérique 4 et celui de la gaine 5 est notée An, et celle entre l'indice de réfraction de la zone intermédiaire 3 et celui de la gaine 5 est notée An'. On a représenté en figure 2 un premier profil d'indice théorique possible pour la fibre 1 de la figure 1: la courbe 20 montre l'indice de réfraction n en fonction du rayon r, et la courbe 21 représente l'intensité I du signal de pompe ou du signal à transmettre par la fibre 1 en fonction du rayon r. Dans cette variante, la zone intermédiaire 3 selon l'invention a un indice de réfraction sensiblement égal à celui de la gaine 5 (c'est-å-dire que An' est nulle), et la zone périphérique 4 à un indice de réfraction légèrement inférieur à celui de la zone centrale 2. L'indice de réfraction de la gaine 5 est sensiblement égal à l'indice de réfraction de la silice pure nO. La figure 3 montre un deuxième profil d'indice théorique possible pour la fibre 1 de la figure 1: la courbe 30 montre l'indice de réfraction n en fonction du rayon r, et la courbe 31 représente l'intensité I du signal de pompe ou du signal à transmettre par la fibre 1 en fonction du rayon r. Dans cette variante, la zone intermédiaire 3 selon l'invention a un indice de réfraction supérieur à celui de la gaine 5, qui est sensiblement égal à celui de la silice pure (c'est-à-dire que An' est non nulle), mais toujours nettement inférieur à celui de la zone centrale 2 de manière à limiter, selon l'invention, la diffusion du dopant actif de la zone centrale 2 vers la zone intermédiaire 3, grâce aux différences entre les températures de ramollissement de ces deux zones.La zone périphérique 4 a encore un indice de réfraction légèrement inférieur à celui de la zone centrale 2. Enfin, la figure 4 montre un troisième profil d'indice théorique possible pour la fibre 1 de la figure 1: la courbe 40 montre l'indice de réfraction n en fonction du rayon r, et la courbe 41 représente l'intensité I du signal de pompe ou du signal à transmettre par la fibre 1 en fonction du rayon r. Dans cette variante, la zone centrale 2 et la zone périphérique 4 ont des indices de réfraction sensiblement égaux, et la gaine 5 a un indice de réfraction ng inférieur à l'indice nO de la silice pure.Dans ce profil, les contraintes de saut d'indice sur la zone périphérique 4 sont allégées par rapport aux profils des figures 2 et 3, car la différence d'indice An est obtenue en partie grâce à l'indice négatif de la gaine 5, c'est-à-dire qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser autant de dopants élévateurs d'indice dans la zone périphérique 4 que dans les variantes précédentes. D'après ces trois profils, on constate qu'il est possible, dans une fibre optique selon i'invention, que la zone active centrale 2 soit dopée de sorte que son indice soit supérieur à celui de la gaine 5, par exemple au moyen de germanium en plus de l'aluminium nécessairement présent pour éviter la ségrégation de l'erbium. En effet, même si cela diminue la température de ramollissement de la zone centrale 2, étant donné que la zone intermédiaire 3 conserve une température de ramollissement nettement supérieure, elle peut toujours jouer le rôle de barrière contre la diffusion du dopant fluorescent. On comprend bien d'après ce qui précède que l'invention permet de réduire le facteur de confinement E de deux manières: - d'une part en permettant de consever le confinement du dopant fluorescent lors du chauffage de la préforme, grâce à la zone intermédiaire 3 qui empêche la diffusion du dopant fluorescent, - d'autre part en permettant d'accroître le diamètre de mode de la fibre 1 en modifiant l'indice de réfraction de la zone périphérique 4, c'est-à-dire en modifiant les concentrations de dopants élévateurs d'indice pour obtenir la différence d'indice An souhaitée. II est possible d'accroître ce diamètre de mode lorsque l'intensité de pompage ou celle du signal à transmettre ont un pic central relativement plat, car dans ce cas, on conserve l'interaction souhaitée entre les ions de dopant et les photons de la pompe au niveau de la zone centrale d'une part, et entre les ions inversés et les photons du signal à transmettre dans tout le coeur d'autre part. Par ailleurs, on rappelle que, dans une fibre optique amplificatrice, on ne peut réduire sans limite le facteur de confinement. En effet, le gain de l'amplificateur est proportionnel au facteur de confinement, à la densité volumique d'ions de dopant inversés, et à la longueur de la fibre amplificatrice. Ainsi, lorsque l'on diminue le facteur de confinement, toutes choses étant égales par ailleurs, le gain diminue, ce qui est bien entendu à éviter. II faut donc compenser la diminution du facteur de confinement par l'accroissement de la longueur de la fibre amplificatrice, puisque la densité volumique d'ions de dopant inversés a une limite supérieure qu'il n'est pas possible de dépasser pour des raisons que l'on ne décrira pas plus en détail ici. Or la longueur de fibre amplificatrice ne peut pas non plus être augmentée indéfiniment, car plus elle est grande, plus les pertes par atténuation du signal à transmettre sont élevées. II faut donc faire un compromis entre la diminution du facteur de confinement, qui permet d'accroître l'efficacité de la pompe, et l'accroissement du gain de l'amplificateur. Pour cela, le facteur de confinement peut être considéré comme le rapport entre le rayon de la zone active et le rayon de mode pour une distribution gaussienne de l'intensité du signal de pompe ou du signal à transmettre. Lorsque la distribution n'est pas gaussienne, on utilise une formule plus générale pour le facteur de confinement, donnée par: a0 2 J (p2(r)rdr E o - , 9 représentant l'enveloppe du cham électromagnétique guidé. J o Le compromis mentionné cidessus conduit à choisir un facteur de confinement inférieur à 50%. Pour un tel facteur de confinement, le choix des paramètres a0, a1, a, A n et An' d'une fibre optique selon l'invention peut être effectué dans les intervalles suivants: 1 2 2 20.10-3 0 An' On notera qu'il est à la protée de l'homme du métier d'effectuer les simulations numériques permettant de sélectionner les différents paramètres indiqués ci-dessus pour obtenir le confinement, le diamètre de mode et l'enveloppe de champ souhaités. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit, et l'on pourra remplacer tout moyen par un moyen équivalent sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS Il Fibre optique comprenant un coeur optique (6) à base de silice destiné à guider la majorité des ondes lumineuses et contenant au moins un dopant fluorescent, entouré d'une gaine optique (5) également à base de silice, d'indice de réfraction inférieur à celui dudit coeur, ledit coeur comprenant:: - une zone centrale (2) de rayon aO, contenant ledit dopant fluorescent, - une zone périphérique (4) de rayon a, entourant ladite zone centrale, d'indice de réfraction supérieur à celui de ladite gaine et ne contenant pas de dopant fluorescent, caractérisée en ce que ledit coeur (6) comprend en outre une zone intermédiaire (3) de rayon a1, peu ou non dopée en dopants accroissant son indice de réfraction de sorte que son indice de réfraction est supérieur ou égal à celui de ladite gaine optique (5) et inférieur à celui de ladite zone périphérique (4) et que sa température de ramollissement est supérieure à celles de ladite zone centrale (2) et de ladite zone périphérique (4), ladite zone intermédiaire (3) étant telle que a0 2/ Fibre optique selon la revendication 1 caractérisée en ce que ladite zone périphérique (4) a un indice de réfraction inférieur ou sensiblement égal à celui de ladite zone centrale (2). 3/ Fibre optique selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que ladite gaine optique (5) a un indice de réfraction inférieur ou sensiblement égal à celui de la silice pure. 4/ Fibre optique selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que ladite zone intermédiaire (3) a un indice de réfraction égal ou légèrement supérieur à celui de ladite gaine (5). 5/ Fibre optique selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce qu'elle est monomode à la longueur d'onde du signal qu'elle est destinée à transmettre ainsi qu'à la longueur d'onde de pompe dudit dopant fluorescent. 6/ Fibre optique selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que ledit dopant fluorescent a trois niveaux de transition. 7/ Fibre optique selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que ledit dopant est une terre rare. 8/ Fibre optique selon la revendication 7 caractérisée en ce que ledit dopant est l'erbium. 9/ Fibre optique selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisée en ce que a0 est compris entre 1 et 2 pm, a entre 2 et 4 pm et a1 entre 2 et 4 pm, et en ce que la différence d'indice An entre l'indice de réfraction de ladite zone intermédiaire (3) et celui de ladite gaine (5) est comprise entre 20 et 30.10-3. 101 Fibre optique selon la revendication 9 caractérisée en ce que la différence d'indice An' entre l'indice de réfraction de ladite zone périphérique (4) et celui de ladite gaine (5) est comprise entre 0 et 20.10-3.