Brevet FR2811437A1 — publié le 20020111

-1 - La présente invention concerne une fibre optique à pompage par la gaine et un procédé de fabrication d'une telle fibre. Les fibres optiques à pompage par la gaine comportent une structure particulière qui leur permet d'accepter davantage de puissance optique de pompe et ainsi d'augmenter l'amplification du signal optique qui est obtenue par absorption d'énergie. L'énergie d'amplification est fournie par un laser à haute puissance couplée dans une gaine de la fibre optique entourant son coeur, I'énergie lumineuse ainsi fournie à la gaine étant absorbée par le coeur dès lors que les rayons lumineux se propageant dans la gaine traversent l'interface entre le coeur et la gaine. On comprend que l'efficacité du pompage d'énergie est essentiellement conditionnée par l'efficacité du couplage entre le coeur et la gaine. Une des difficultés qui se posent avec les interfaces coeur/gaine cylindriques est que certains rayons lumineux véhiculés par la gaine suivent une trajectoire en hélice autour du coeur sans jamais rencontrer l'interface. L'énergie portée par ces rayons est donc iniectée en vain dans la gaine, car elle n'est jamais utilisée pour amplifier le signal transporté par le coeur. Pour tenter de résoudre ce problème, il a déjà été proposé, notamment dans US-A-5 966 491, de former des rainures longitudinales dans la surface externe de la gaine, afin de briser les trajectoires en hélice des rayons lumineux et forcer ces derniers à rencontrer l'interface coeur/gaine. Une autre solution, proposée dans W0 99/30 391, consiste à insérer des tiges dans des passages longitudinaux formés dans la gaine, afin d'obtenir des protubérances radiales à la surface de la gaine et perturber ainsi la trajectoire des rayons lumineux dans la gaine. La présente invention vise à proposer une fibre optique d'une structure nouvelle reposant sur le même principe de perturbation des rayons lumineux dans la gaine. La présente invention a pour objet une fibre optique à pompage par la gaine comprenant: - un coeur d'indice optique nl, - autour du coeur, une première gaine d'indice n2 inférieur à nl, -2- - autour de la première gaine, une seconde gaine d'indice n3 inférieur à n2, caractérisée en ce que l'interface entre les première et seconde gaines présente, en section transversale, une forme sensiblement polygonale. On comprend que grâce à la forme polygonale de la section transversale de l'interface, tout rayon lumineux véhiculé par la gaine qui aurait tendance à tourner autour du coeur en hélice sans jamais rencontrer l'interface coeur/gaine est perturbé par l'interface entre les première et seconde gaine et ne peut conserver sa trajectoire en hélice. Par conséquent, une importante quantité de rayons lumineux, qui seraient perdus dans une structure à section circulaire, est récupérée grâce à l'invention. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le coeur est constitué par du verre de silice dopé, la première gaine est constituée par du verre de silice non dopé ou très faiblement dopé et la seconde gaine est constituée par du verre de silice dopé négativement, par exemple avec du fluor ou du bore. Dans un autre mode de réalisation, le coeur est constitué par du verre de silice fortement dopé, la première gaine est constituée par du verre de silice dopé positivement, par exemple avec du germanium, et la seconde gaine est constituée par du verre de silice non dopé. Dans l'un ou l'autre de ces deux modes de réalisation, le coeur présente l'indice nl maximal, la première gaine présente l'indice n2 inférieur à ni et la seconde gaine présente l'indice n3 inférieur à n2. Dans un mode de réalisation particulier, la fibre comporte un revêtement polymère à bas indice autour de sa seconde gaine et l'interface entre la seconde gaine et ce revêtement présente, en section transversale, une forme sensiblement polygonale ou multilobée. Dans ce cas, on réalise une seconde structure de pompage autour de la première structure de pompage constituée par le coeur et la première gaine. Cette seconde structure de pompage comprend la première gaine et la seconde gaine. L'interface entre la seconde gaine et le revêtement remplit la même fonction que précédemment décrit pour l'interface entre les première et seconde gaines, à savoir que les rayons lumineux circulant dans la seconde gaine sont -3- empêchés de tourner en hélice à l'intérieur de la seconde gaine sans jamais rencontrer l'interface entre la première et la seconde gaine, grâce à la forme sensiblement polygonale ou multilobée de l'interface entre la seconde gaine et le revêtement. De cette manière, on peut utiliser des lasers de puissance émettant sur des diamètres plus importants, et l'énergie injectée par le laser, tant dans la première gaine que dans la seconde gaine, sert à l'amplification du signal véhiculé par le coeur. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication économique d'une fibre optique telle que décrite ci-dessus, qui présente l'avantage de ne pas impliquer d'usinage mécanique coûteux. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il consiste à exécuter les étapes suivantes: - positionnement, autour d'une préforme optique centrale comprenant un coeur d'indice nl entouré d'une première gaine d'indice n2 inférieur à ni, de plusieurs barreaux d'indice n3 inférieur à n2, étirage de la préforme optique et des barreaux, jusqu'à fibrage et obtention d'une fibre optique comprenant un coeur et deux gaines. Dans le procédé selon l'invention, ce sont les barreaux positionnés autour de la préforme optique centrale qui, sous l'effet de l'étirage, se compriment autour de la préforme optique et aboutissent à la forme polygonale revendiquée. Cette forme polygonale résulte d'un équilibrage des forces centripètes et de la déformation plastique de la préforme optique centrale et des barreaux. Dans un mode de mise en oeuvre particulier, on utilise des préformes optiques à gaines d'indice n3 comme barreaux à positionner autour de la préforme optique centrale. Un avantage de ce mode de mise en oeuvre est que l'approvisionnement en préformes optiques s'avère quelquefois plus simple que l'approvisionnement en barreaux homogènes constitués par exemple par du verre de silice dopé. Dans ce cas, le coeur des préformes utilisées comme barreaux ne joue pas son rôle habituel de coeur. -4- Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, on utilise comme préforme optique centrale une préforme qui, si elle était étirée dans les conditions habituelles, deviendrait une fibre optique à pompage par la gaine constituée par un coeur, une première gaine et une seconde gaine, le tout ayant une structure de section circulaire, donc susceptible de laisser inutilisés un certain nombre de rayons lumineux circulant en hélice dans la première gaine. Dans ce mode de mise en oeuvre, le procédé se caractérise en ce que la préforme optique centrale est, après étirage, une fibre optique à pompage par la gaine constituée par un coeur d'indice nl, une première gaine cylindrique à section circulaire d'indice n2 inférieur à nl et entourant le coeur et une seconde gaine cylindrique à section circulaire d'indice n3 entourant la première gaine. Toutefois, grâce à la présence, selon l'invention, des barreaux d'indice n3 autour de la préforme optique centrale, l'étirage de ladite préforme optique centrale et desdits barreaux aboutit à une modification de la section de l'interface entre les première et deuxième gaines, cette section perdant sa symétrie circulaire au profit d'une forme polygonale du fait de l'équilibrage des forces centripètes exercées par les barreaux. Si les barreaux sont constitués par la même matière que la seconde gaine de la préforme optique centrale, la fusion qui se produit entre la seconde gaine et lesdits tubes aboutit à la formation d'une seconde gaine unique. Dans un mode de mise en ceuvre particulier, on place la préforme optique centrale et les barreaux d'indice n3 dans un manchon à l'intérieur duquel l'atmosphère est contrôlée pour l'étirage, par mise sous vide ou sous pression partielle de gaz neutres tels que l'hélium ou réactifs tels que le C2F6. De manière, avantageuse, le manchon est constitué par de la silice, dont l'indice a été abaissé par un dosage approprié, par exemple au fluor ou au bore. Ce procédé, bien connu pour l'étirage de fibres optiques, s'applique sans difficulté aux fibres optiques selon la présente invention. Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, on contrôle I'atmosphère d'étirage sans recourir à aucun manchon. En revanche, on colmate les interstices entre les barreaux d'indice n3 et on contrôle l'atmosphère dans le -5- volume délimité par les barreaux, par mise sous vide ou sous pression partielle de gaz neutres tels que l'hélium ou réactifs tels que le C2F6. Dans un mode de mise en oeuvre particulier, on enveloppe la seconde gaine dans un revêtement polymère à bas indice. La présence du revêtement polymère conduit à l'obtention d'une troisième gaine d'indice n4 inférieur à n3 qui sert à canaliser les rayons lumineux dans la deuxième gaine, afin de réaliser une deuxième structure de pompage entre la troisième et la deuxième gaine. Afin de faciliter la compréhension de l'invention, quelques exemples non limitatifs vont maintenant en être décrits, à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une section transversale d'un assemblage destiné à former une structure de pompage selon l'invention, - la figure 2 est une section analogue à la figure 1 de l'assemblage après étirage sous vide, - la figure 3 est une section transversale d'un assemblage destiné à former une autre structure de pompage selon l'invention, - la figure 4 est une section analogue à la figure 3 de l'assemblage après étirage sous vide, - la figure 5 est une section transversale d'un assemblage destiné à former une double structure de pompage selon l'invention, - la figure 6 est une section analogue à la figure 5, représentant l'assemblage après étirage. Sur la figure 1, on voit une préforme optique 1 comprenant un coeur monomode 2 dopé avec des terres rares appropriées pour le pompage, comme cela est bien connu de l'homme du métier. Ce coeur a un premier indice de réfraction nI élevé. Une première gaine 3 entoure le coeur 2. Cette gaine 3 est constituée par du verre de silice non dopé d'indice de réfraction n2 inférieur à celui nI du coeur. Un ensemble formé de six barreaux cylindriques 4 en verre à bas indice de réfraction, c'est-à-dire dopé négativement, afin que cet indice de réfraction n3 soit inférieur à l'indice de réfraction n2 de la première gaine, est maintenu en position -6- et introduit dans un manchon 5 qui peut être formé par le même matériau que les barreaux cylindriques 4. L'ensemble est introduit dans un four d'étirage (non représenté) avec mise sous vide de l'intérieur du manchon 5. On contrôle le fluage des barreaux et de la préforme en agissant sur la tension et la vitesse de l'étirage. Les six barreaux cylindriques 4 exercent chacun une force centripète sur la préforme centrale 1 et l'équilibrage de ces forces conduit la préforme centrale à s'écraser en chacun de ses six points 6 de contact avec les barreaux cylindriques 4. Chaque barreau cylindrique 4 a également tendance à s'écraser à son point de contact avec la préforme, de sorte qu'un plan de contact se forme entre la préforme 1 et chaque barreau cylindrique 4. Il en résulte que l'interface entre la préforme et l'ensemble des six barreaux cylindriques prend une configuration sensiblement hexagonale, comme on le voit à la figure 2. Cette forme polygonale est conservée dans l'opération d'étirage qui transforme la préforme rétreinte en une fibre de dimension extérieure appropriée La fibre est ensuite enfermée dans un revêtement polymère 20 qui assure sa protection. Dans l'exemple des figures 3 et 4, les barreaux cylindriques sont remplacés par des préformes composites 7, telles que celles commercialisées sous l'appellation Fluosil de la société Heraeus, qui sont constituées par un coeur en silice 8 et une première gaine en fluorosilicate 9. Comme précédemment décrit, I'ensemble peut être introduit dans un manchon, puis passé dans un four d'étirage. Toutefois, dans l'exemple des figures 3 et 4, aucun manchon n'a été utilisé. Les interstices entre les génératrices 10 par lesquelles les préformes composites périphériques 7 se trouvent en contact deux à deux ont été colmatés de manière que lesdites préformes délimitent un espace fermé entourant la préforme centrale 1, espace fermé à l'intérieur duquel le vide peut être fait, comme dans un manchon. -7- L'étirage sous vide dans un four (non représenté) fournit la structure représentée à la figure 4, sur laquelle on voit que la première gaine en fluorosilicate 9 de chaque barreau cylindrique 7 sert de troisième gaine d'indice n3, inférieur à l'indice n2, pour la préforme centrale 1 qui est ainsi entourée d'une première gaine 3 d'indice n2 et d'une seconde gaine 9 d'indice n3 Conformément à l'invention, I'interface entre les première et deuxième gaines présente une section hexagonale. Dans le mode de réalisation des figures 5 et 6, la préforme centrale précédemment décrite comprenant un coeur et une première gaine a été remplacée par une préforme centrale 1 1l comprenant un coeur 12, une première gaine 13 et une seconde gaine 14. Une telle préforme centrale 1l 1 est traditionnellement utilisée pour obtenir une structure de pompage à symétrie circulaire. Huit barreaux cylindriques 15 en verre de silice sont placés à la périphérie de la préforme centrale, I'ensemble étant introduit dans un manchon 16 également en verre de silice. Le vide ayant été fait dans le manchon, la préforme 11 et les barreaux cylindriques 15 sont étirés dans un four d'étirage (non représenté). Le fluage des barreaux cylindriques 15 d'une part, de la deuxième gaine 14 de la préforme centrale, d'autre part, aboutit à la formation d'une interface de section octogonale entre la première gaine 13 et la deuxième gaine 14, laquelle deuxième gaine résulte de la fusion entre la deuxième gaine 14 initiale de la préforme et les barreaux cylindriques 15. En pratique, la deuxième gaine 14 initiale de la préforme est le tube de substrat sur lequel on a déposé par la technique MCVD les couches de verre de silice dopé constituant les structures de guidage de la fibre. On voit, dans cet exemple, qu'il n'est pas nécessairement indispensable d'éliminer totalement le tube substrat, par exemple par évaporation, pour mettre en ceuvre l'invention, le fluage du verre de silice pouvant être obtenu même s'il subsiste une épaisseur du tube substrat autour de la première gaine de la préforme. -8- Les exemples qui viennent d'être décrits ne sont évidemment pas limitatifs de la portée de l'invention, toute modification pouvant leur être apportée dans le cadre défini par les revendications annexées. En particulier, bien que seul l'étirage sous vide ait été décrit, il est clair que tout étirage sous atmosphère contrôlée, par exemple sous hélium ou sous C2F6 conviendrait pour la mise en oeuvre de l'invention. -9- REVENDICATIONS 1. Fibre optique à pompage par la gaine comprenant - un coeur (2, 12) d'indice optique nl, - autour du coeur, une première gaine (3, 15) d'indice n2 inférieur à nl, - autour de la première gaine, une seconde gaine (4, 9, 14) d'indice n3 inférieur à n2, caractérisée en ce que l'interface entre les première (3, 13) et seconde (4, 9, 14) gaines présente, en section transversale, une forme sensiblement polygonale. 2. Fibre optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le coeur (2, 12) est constitué par du verre de silice dopé, la première gaine (3, 13) est constituée par du verre de silice non dopé ou très faiblement dopé et la seconde gaine (4, 9, 14) est constituée par du verre de silice dopé négativement, par exemple avec du fluor ou du bore. 3. Fibre optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le coeur (2,12) est constitué par du verre de silice fortement dopé, la première (3,13) gaine est constituée par du verre de silice dopé positivement, par exemple avec du germanium, et la seconde gaine (4, 9 14) est constituée par du verre de silice non dopé. 4. Fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un revêtement polymère (20) à bas indice autour de sa seconde gaine et en ce que l'interface entre la seconde gaine et ce revêtement présente, en section transversale, une forme sensiblement polygonale ou multilobée. 5. Procédé de fabrication d'une fibre optique à pompage par la gaine, caractérisé en ce qu'il consiste à exécuter les étapes suivantes: positionnement, autour d'une préforme optique centrale (1, 11) comprenant un coeur (2, 12) d'indice nl entouré d'une première gaine (3, 13) d'indice n2 inférieur à nl, de plusieurs barreaux (4, 9, 15) d'indice n3 inférieur à n2, - étirage de la préforme optique et des barreaux, jusqu'à fibrage et obtention d'une fibre optique comprenant un coeur et deux gaines. -10- 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on utilise des préformes optiques (7) à gaines d'indice n3 comme barreaux à positionner autour de la préforme optique centrale. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la préforme optique centrale (11) est, après étirage, une fibre optique à pompage par la gaine constituée par un coeur d'indice nl, une première gaine cylindrique à section circulaire d'indice n2 inférieur à nl et entourant le coeur et une seconde gaine cylindrique à section circulaire d'indice n3 entourant la première gaine. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'on place la préforme optique centrale et les barreaux d'indice n3 dans un manchon (5, 16) à l'intérieur duquel l'atmosphère est contrôlée pour l'étirage, par mise sous vide ou sous pression partielle de gaz neutres tels que l'hélium ou réactifs tels que le C2F6. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le manchon est constitué par de la silice, dont l'indice a été abaissé par un dopage approprié, par exemple au fluor ou au bore. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'on colmate les interstices entre les barreaux (15) d'indice n3 et l'on contrôle l'atmosphère dans le volume délimité par les barreaux pour l'étirage, par mise sous vide ou sous pression partielle de gaz neutres tels que l'hélium ou réactifs tels que le C2F6. 1 1. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que l'on enveloppe la seconde gaine dans un revêtement polymère à bas indice (20)