Brevet FR2788859A1 — publié le 20000728

FIBRE OPTIQUE PHOTOSENSIBLE POUR FILTRE A RESEAU DE BRAGG, METHODE DE FABRICATION DE LADITE FIBRE, ET COMPENSATEUR DE DISPERSION CHROMATIQUE ET DE PENTE DE DISPERSION CHROMATIQUE COMPRENANT UNE TELLE FIBRE. Le domaine de l'invention est celui de télécommunications sur fibre optique. L'invention concerne une fibre photosensible pour la fabrication d'un filtre à réseau de Bragg, ainsi que la méthode de fabrication d'une telle fibre. Le filtre obtenu utilisant cette fibre est particulièrement adapté pour compenser des effets de dispersion chromatique et de pente de dispersion chromatique dans une liaison par fibre optique, sans introduire une dispersion de modes de polarisation pénalisante. Les effets de la dispersion chromatique sont cumulés sur la longueur de la liaison, et sont de ce fait plus importants pour les liaisons longues. D'autre part, la dispersion chromatique provoque un élargissement temporel des impulsions à véhiculer sur la liaison. Si ces impulsions sont suffisamment espacées dans le temps, le risque d'erreur au récepteur, dû à cet élargissement, est moindre. En revanche, pour des systèmes à très haut débit, l'élargissement temporel peut devenir comparable à l'espacement entre impulsions, induisant ainsi la possibilité d'un taux d'erreur inacceptable pour l'opérateur de la liaison. Dans une liaison pratique, telle que déployée actuellement, viennent s'ajouter les effets de la dispersion de modes de polarisation, connue sous I'acronyme anglophone "PMD" (polarisation mode dispersion), qui introduisent un autre élargissement d'impulsions. Il devient donc important, dans des liaisons longues à haut débit, de corriger périodiquement la dispersion chromatique, tout en minimisant le PMD. Il est connu de l'art antérieur, notamment par le document D1 = Laming, R.l. et ai., "Dispersion compensating fibre Bragg gratings", Proc. WFOPC - Workshop on Fiber Optics Passive Components, University of Pavia, 18-19 Sept. 1998, pp. 108-116, une fibre à réseau de Bragg (FBG en anglais) "chirpé" pour la compensation de la dispersion chromatique. On peut également se référer aux documents suivants sur la compensation de la dispersion D2 = Loh, W.H. et al.,: "Dispersion compensated 10 Gbit/s transmission over 700 km of standard single mode fibre with 10 cm chirped fiber grating and duobinary transmitter," Proc. OFC '96, paper PD 30, San Jose CA, USA, 1996. D3= Cole, M.C. et al., "Broadband dispersion compensating chirped fiber Bragg gratings in 10 Gbit/s NRZ 110 km non-dispersion shifted fibre link operating at 1.55 ptm," Electron. Lett. V.33 (1) pp. 70-71, 1977. Le document D1 enseigne l'utilisation d'un FBG à chirp quadratique pour compenser la pente de dispersion (cf. p. 114). Pour créer le réseau de Bragg avec les caractéristiques voulues à l'intérieur de la fibre, le coeur est d'abord 1o chargé avec un dopant qui rend la fibre photosensible. Des variations d'indice de réfraction sont ensuite induites le long de la fibre, par l'irradiation à l'aide d'une lumière ultraviolette (UV) de la fibre à travers un masque de phase, selon une méthode classique. Les différents paramètres de fabrication auxquels on s'intéresse sont donc: * La composition et la concentration des dopants photosensibles; À La longueur d'onde, l'intensité (ou puissance) lumineuse, et le temps d'exposition, de la lumibre ultraviolette; * La forme (contraste, espacement, etc.) du masque de phase. Selon ce document D1, le masque de phase est uniforme, et la longueur d'onde réfléchie par le réseau de Bragg est modifiée selon la longueur de la fibre dans la région à exposer. Une variation linéaire de la longueur d'onde le long de la fibre peut être utilisée pour corriger la dispersion chromatique de deuxième ordre (classiquement désignée la dispersion chromatique). Une variation quadratique de la phase (inversement proportionnelle à la longueur d'onde) selon la longueur de la fibre peut être utilisée pour corriger la dispersion chromatique de troisibme ordre (la pente de dispersion). Toutefois, la méthode enseignée par le document D1 est d'une mise en oeuvre problématique et semble peu adaptée à un procédé à l'échelle industrielle. En outre, une structure fine de variations dans le temps de groupe selon la longueur d'onde à été observée. Des effets incontrolés tels des fluctuations de la fibre et des vibrations mécaniques ont pour résultat un bruit quasi intérférométrique. Malgré des faibles pertes différentielles dépendantes de la polarisation ("PDL" en anglais), une dispersion différentielle de délai de groupe (DGD, autrement connu sous le nom anglais PMD pour polarisation mode dispersion) a été observée, attribuée par les auteurs à la biréfringence de la fibre hote. Cette biréfringence est attribuable soit à des déformations de la fibre (contraintes, ellipticité,...), soit à l'irradiation UV. Dans le document D4 = Williams, J.A.R. et al., "Fiber Bragg Grating fabrication for dispersion slope compensation", IEEE Photonics Tech. Lett. 8(9) pp. 1187-1189, sept. 1996, une autre méthode de réalisation d'un correcteur de pente de dispersion est enseignée. Selon D4, une fibre photosensible est irradiée en deux étapes: d'abord un réseau linéaire à pas constant est photo inscrit dans le coeur de la fibre à l'aide d'un masque de phase uniforme; ensuite, sans masque, une deuxième irradiation est effectuée à puissance constante, mais à vitesse variable le long de la fibre. La variation de vitesse a pour but de varier le temps d'exposition, et donc l'énergie lumineuse délivrée, afin de modifier la variation de l'indice photo induite. Le résultat est que l'indice moyen varie le long de la fibre, donc la longueur d'onde de Bragg varie de la même manière le long de la fibre. Cette méthode a permis d'obtenir un dispositif correcteur de pente de dispersion chromatique dans une faible largeur de bande, de l'ordre de 0.7 nm. En revanche, pour la réalisation de dispositifs ayant une largeur de bande utile plus grande, des problèmes techniques de contrôle de procédé surgissent: alignement et point focal du laser sur le coeur de la fibre, contrôle de l'accélération et de la vitesse du déplacement de la fibre, et cetera. L'invention a pour but de pallier les problèmes connus de l'art antérieur dans la réalisation d'un filtre correcteur de pente de dispersion à réseau de Bragg, ainsi que les problèmes, en terme de performances, des filtres ainsi réalisés. A ces fins, l'invention propose une fibre optique photosensible pour la réalisation d'un filtre à réseau de Bragg photo induite, comprenant un coeur et une gaine, ledit coeur de ladite fibre ayant un indice de réfraction no, et ladite gaine de ladite fibre ayant une indice de réfraction n., ledit coeur comprenant un dopage d'un premier élément photosensible, ledit premier élément étant le -wrF Germanium, caractérisée en ce que la concentration CGe de Ge dans le coeur est au moins égale à 10 %: CGe 2 10 %, et en ce que ledit coeur comprend en outre un dopage d'un deuxième élément photosensible ou non afin d'abaisser l'indice de réfraction nc du coeur de manière à réduire la différence d'indice de réfraction à une valeur inférieure à: An = nc- ng réfraction est pour minimiser l'effet néfaste de la PMD. L'invention propose en outre un filtre Bragg réalisé a partir d'une telle fibre photosensible, dans laquelle ledit réseau de Bragg est réalisé dans le coeur d'une fibre optique comme une succession de variations quasi périodique, avec une période voisine de AL, d'indice de réfraction optique An, le long (z) de ladite fibre; ledit réseau de Bragg ayant en outre une variation 8L(z) de ladite période AL le long (z) de ladite fibre; caractérisé en ce que ladite variation 8L(z) de ladite période AL est une variation linéaire ou quadratique selon la longueur (z) de ladite fibre. Une variation linéaire est apte à corriger au moins la dispersion chromatique de deuxième ordre; une variation quadratique peut corriger la dispersion chromatique de troisième ordre (la pente de dispersion). Selon une caractéristique, les variations d'indice de réfraction optique An, sont fortes: An, > 3. 10-4. Selon une autre caractéristique, ladite variation 8L(z) de ladite période AL est une variation linéaire selon la longueur (z) de ladite fibre. Une variation linéaire de la période, avec des fortes variations d'indice, procure une correction de dispersion chromatique de troisième ordre (pente de dispersion). Selon une variante, la gaine de ladite fibre comprend également un dopage dudit premier élément photosensible Ge. Selon une autre caractéristique, un troisième élément photosensible ou non est ajouté dans la gaine afin de réduire la différence d'indice An = n.- ng * ledit troisième élément de dopage est le Bore. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit, avec ses dessins annexés, dont: La figure 1 montre schématiquement un exemple d'une pente de dispersion à corriger; a La figure 2 montre schématiquement un exemple d'une fibre optique selon une caractéristique de l'invention, ayant un réseau de Bragg photo inscrite avec une variation linéaire du pas du réseau ("chirp" linéaire); en outre le réseau est présent dans la gaine de la fibre; À La figure 3 montre schématiquement un exemple d'une réponse de temps de groupe linéaire obtenu classiquement avec un filtre selon la figure 2, quand les variations d'indice photo induites An, sont normales, de l'ordre de An, 1 104; - La figure 4 montre schématiquement un exemple d'une réponse de temps de groupe quadratique obtenu avec un filtre selon la figure 2, mais avec des fortes variations d'indice photo induites An, > 3. 104 (ici 6.104); À La figure 5 montre schématiquement un exemple d'un profil d'indice de réfraction obtenu avec un fort dopage en Ge dans le coeur de la fibre selon l'invention, CGe > 10 %, sans co-dopant; * La figure 6 montre schématiquement un exemple d'un profil d'indice de réfraction obtenu avec une forte dopage en Ge dans le coeur de la fibre selon l'invention, CGe > 10 %, avec co-dopant. Sur toutes les figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais l'échelle n'est pas toujours respectée pour des raisons de clarté. Sur la figure 1, on voit un exemple d'une dispersion chromatique à corriger, telle que l'on pourrait l'observer dans un répéteur dans une liaison optique à très longue distance. Une telle liaison est typiquement composée d'une pluralité de tronçons de fibre optique qui relient une pluralité de stations ou répéteurs, dans lesquels les signaux à propager sont périodiquement amplifiés et remis en forme avant d'être transmis dans un autre tronçon. Comme on a pu constater à la lecture des documents cités plus haut, il est connu d'utiliser des IrIIl filtres à réseau de Bragg pour effectuer la correction de la dispersion chromatique, voire de la pente de cette dispersion. Si cette correction est réussie, la variation du temps de groupe avec la longueur d'onde telle que montrée sur la figure 1 est annulée, c'est à dire que le temps de groupe sera le même pour toutes les longueurs d'onde de la bande utile de transmission. La figure 2 montre schématiquement un exemple d'une fibre optique selon une caractéristique de l'invention, ayant un réseau de Bragg photo inscrit avec une variation linéaire du pas du réseau ("chirp" linéaire). Classiquement, un filtre à réseau de Bragg avec ce chirp linéaire peut être utilisé pour corriger la dispersion chromatique du deuxième ordre. La fibre optique guidant comprend un coeur de diamètre a ayant une indice de réfraction no, et une gaine ayant une indice de réfraction ng. Pour être guidant, une valeur typique de la différence d'indice optique An = nc - ng 5.103 est courante. Des plus fortes différences d'indice peuvent être obtenues, mais il est connu que la biréfringence de forme de la fibre varie proportionnellement à cette différence élevée au carrée, c: (An)2 et la biréfringence de contrainte proportionnellement oc (An). D'autre part il a été montré que la PMD du compensateur de dispersion était proportionnel à la biréfringence de la fibre. Il est donc souhaitable de n'introduire qu'une différence (An) faible pour éviter de dégrader le signal par l'effet de PMD. Sur la figure 2 I'on voit également les variations d'indice photo induites An,. Leur espacement moyen AL determine la longueur d'onde de Bragg du filtre. De facon exagérée sur la figure 2, nous avons montré schématiquement une variation du pas de réseau 8L(z) le long de la fibre, z. Selon une réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, cette variation 8L(z) est une fonction linéaire de la position z le long de la fibre, et la variation d'indice de réfraction photo induite est relativement forte: An, > 3. 10-4 Dans ce cas, le filtre de Bragg obtenu est apte à corriger non seulement la dispersion chromatique de deuxième ordre, mais aussi, de façon inattendue, celle de troisième ordre. Cette forte variation d'indice peut être obtenue, soit en augmentant l'exposition à la lumière ultraviolette, en augmentant le temps d'exposition, par exemple; soit en augmentant la photosensibilité du coeur, en ajoutant une plus - - IE fi forte concentration de dopant photosensible. Une augmentation du temps d'exposition donne lieu à des problèmes de réalisation liées à la précision de l'instrumentation pour la livraison du faisceau lumineux, et notamment à la stabilité dans le temps de celui-ci. Selon une caractéristique préférée de I'invention, cette forte variation d'indice est obtenue par un dopage en forte concentration de Germanium dans le coeur, CGe 2 10 %. Mais l'introduction d'une plus forte concentration de Ge dans le coeur change l'indice de réfraction du coeur, et peut augmenter de ce fait la biréfringence et donc la dispersion de modes de polarisation de façon pénalisante pour la liaison. Pour éviter ces conséquences néfastes d'une augmentation de la concentration de Ge dans le coeur, et l'augmentation de la différence d'indice An entre le coeur et la gaine de la fibre, selon une variante préférée de l'invention, ledit coeur comprend en outre un dopage d'un deuxième élément photosensible ou non afin d'abaisser l'indice de réfraction no du coeur de manière à réduire la différence d'indice à une valeur normale, par exemple: An = nc- ng Selon une réalisation particulière de l'invention, telle que montrée sur la figure 2, la gaine de la fibre est aussi photosensible, et le réseau de Bragg s'étend dans la gaine. Cette technique permet de s'affranchir d'un couplage vers les modes de gaine, qui entraînerait des pertes d'insertion du filtre. Comme dans le cas précedent, on peut également ajouter un autre dopant photosensible ou non pour obtenir une fibre guidante mais de faible biréfringence: An = nc- ng 6.10-3. Deux éléments dopants non photosensibles sont proposés pour un tel dopage: le Fluor (F) et le Bore (B). D'autres dopants pourraient être utilisés. La figure 3 montre schématiquement un exemple d'une réponse linéaire obtenu classiquement avec un filtre selon la figure 2, quand les variations d'indice photo induites An, sont normales, de l'ordre de An, z 10-4. On constate que le filtre de l'art antérieur, avec des variations d'indice normales, aurait un effet 3 0 sensiblement linéaire en réponse de temps de groupe en fonction de la longueur d'onde. En revanche, la figure 4 montre schématiquement un exemple d'une réponse quadratique obtenu avec un filtre selon la figure 2, mais avec des fortes variations d'indice photo induites An, > 3. 10-4. On voit que l'effet quadratique qui caractérise le besoin de correction de pente de dispersion peut être obtenu uniquement avec le chirp linéaire de la figure 2, a condition que le contraste des variations d'indice photo induites soit assez fort: An, > 3. 10-4 Comme expliqué plus haut par rapport à la figure 2, I'augmentation de la variation d'indice photo induite est obtenue, tout en gardant un temps d'inscription raisonnable selon une variante de l'invention, par une plus forte concentration de dopant photosensible Ge dans le coeur. Ceci a pour effet d'augmenter l'indice de réfraction du coeur, tel que montra sur la figure 5. Ceci peut être pénalisant en termes de PMD, et pour éviter cela, une variante de l'invention propose l'adjonction d'un co-dopant photosensible ou non dans le coeur afin de baisser la différence d'indice entre le coeur et la gaine: An = no- ng d'indice de réfraction est présenté sur la figure 6. A titre d'exemple, pour un An de 30.10-3 tel que montré dans la figure 5, avec une longueur de réseau de 50 mm, une dispersion chromatique de 450 ps/nm est obtenue, mais avec une PMD de 3 ps. En revanche, quand un co- dopant est ajouté pour reduire la différence d'indice de réfraction à une valeur normale de An = 5.10-3 comme montré dans la figure 6, la même longueur de réseau (50mm) permet d'obtenir la même dispersion chromatique (450 ps/nm), mais avec un PMD beaucoup plus faible, de l'ordre de 0.25 ps. L'invention a été décrite à l'aide de quelques exemples non limitatifs de réalisations. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre les principes de l'invention dans ses multiples réalisations et équivalents, sans sortir pour autant du cadre de l'invention, tel que défini par les revendications qui suivent. IFIF REVENDICATIONS 1. Fibre optique photosensible pour la réalisation d'un filtre à réseau de Bragg photo induite, comprenant un coeur et une gaine, ledit coeur de ladite fibre ayant un indice de réfraction nc, et ladite gaine de ladite fibre ayant une indice de réfraction ng, ledit coeur comprenant un dopage d'un premier élément photosensible, ledit premier éléement étant le Germanium, caractérisée en ce que la concentration CGe de Ge dans le coeur est au moins égale à 10 %: Cae > %, et en ce que ledit coeur comprend en outre un dopage d'un deuxième élément photosensible ou non afin d'abaisser l'indice de réfraction nc du coeur de manière à réduire la différence d'indice de réfraction à une valeur inférieure à An = nc- ng 2. Filtre de Bragg réalisé à partir d'une fibre photosensible selon la revendication i 1, ledit réseau de Bragg étant réalisé dans le coeur d'une fibre optique comme une succession de fortes variations quasi périodique, avec une période voisine de AL, d'indice de réfraction optique An, le long (z) de ladite fibre; ledit réseau de Bragg ayant en outre une variation 8L(z) de ladite période AL le long (z) de ladite fibre caractérisé en ce que ladite variation 8L(z) de ladite période AL est une variation linéaire ou quadratique selon la longueur (z) de ladite fibre. 3. Filtre de Bragg réalisé à partir d'une fibre photosensible selon la revendication 2, caractérisé en ce que les variations d'indice de réfraction optique An, sont fortes: An, > 3. 104 4. 4. Filtre de Bragg réalisé à partir d'une fibre photosensible selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite variation $L(z) de ladite période AL est une variation linéaire selon la longueur (z) de ladite fibre. IFTT 5. Fibre optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la gaine de ladite fibre comprend également un dopage dudit premier élément photosensible Ge. 6. Fibre optique selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'un troisième élément photosensible ou non est ajouté dans la gaine afin de réduire la différence d'indice An = nc- ng o10 7.Fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1, 5, ou 6 caractérisée en ce que ledit deuxième élément de dopage est le Fluor. 8.Fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1, 5, ou 6 caractérisée en ce que ledit deuxième élément de dopage est le Bore. 9. Fibre optique selon la revendication 6 caractérisée en ce que ledit troisième élément de dopage est le Fluor. 10. Fibre optique selon la revendication 6 caractérisée en ce que ledit troisième élément de dopage est le Bore. 11. Filtre à réseau de Bragg comprenant une fibre selon l'une quelconque des revendications 1, ou 5 à 10.