Brevet FR2830087A1 — publié le 20030328

r FIBRE OPTIQUE SILICE A DOUBLE GAINE POLYMERE La présente invention concerne le domaine des fibres optiques utilisées pour la transmission et/ou l'amplification de signaux optiques. Une fibre optique est classiquement constituée d'un c_ur entouré d'une gaine optique et protogée par un revêtement. Le c_ur a pour fonction de transmettre, et éventuellement d'amplifier, un signal optique, et la gaine optique a pour fonction de confiner le signal optique dans le c_ur. A cet effet, les indices de réfraction du c_ur n' et de la gaine n2 sont tels que n:>n2. Les fibres optiques utilisées en transmission peuvent être constituces d'un c_ur monomode, pour la propagation d'un unique signal optique, ou multimode pour la propagation simultanée de plusieurs signaux optiques. Le caractère monomode ou multimode d'une fibre optique dépend essentiellement de son diamètre de c_ur. Les fibres de transmission multimodes sont avantageusement utilisées pour des applications sur courtes distances à déhit moyen, c'est à dire de bande passante étroite. Divers types de fibres de transmission existent répondant à des critères différents de propriétés optiques telles que la largeur de la bande passante et I'atténuation, de coûts, de contraintes de fabrication, et autres. Selon les applications, il est peut être particulièrement important de favoriser la transmission des données sur une large bande passante (haut déLit) ou de garantir une atténuation limitée (transmission longue distance). On a cherché à augmenter la bande passante en réclisant des fibres à gradient d'indice par exemple, ou en réclisant une gaine optique en polymère entourant le c_ur en silice (Polymer Clad Silica Fiber, PCSF) mais avec des performances limitées à environ 100 MHz.km pour une fibre PCSF. Il existe également des fibres optiques plastiques, c'est à dire dont le c_ur est composé d'un matériau plastique, et qui présente la particularité d'avoir une très large bande passante. Par exemple, la fibre dite > proposée par la société Asahi Glass présente une bande passante supérieure à 500MHz.km contre environ MHz.km pour une fibre silice à gradient d'indice. Néanmoins, une telle fibre plastique présente une atténuation importante de l'ordre de 50 à 100 dB/km contre 5 1 03830/MK/OOFD F:\Solle\F1 03830\PREMDEP\ADMIN\depot.doc 2 2830087 à lO dB/km pour une fibre PCS décrite précédemment. En outre, une telle fibre optique plastique est coûteuse et vieillie mal. L'objet de la présente invention est de proposer une nouvelle structure de fibre optique qui permette d'atteindre un compromis entre les avantages procurés par les fibres PCS et les fibres plastiques. En particulier, la bande passante des fibres plastiques est améliorée de par des défauts situés dans le polymère constituant le c_ur multimode de la fibre, ces déTauts engendrant des changements de mode des signaux optiques transmis. En revanche, le plastique atténue considérablement l'intensité du signal transmis, ce qui n'est pas acceptable pour des applications de grande puissance tel les q ue les fibres ampl ificatrices ou les fibres de transmission long ues distances. A cet effet, I'invention propose une fibre optique comprenant une double gaine plastique entourant un c_ur en silice. Ainsi, le couplage de mode est assuré par une gaine intermédiaire présentant des inhomogénaités et dont l'indice de réfraction est sensiblement égal à celui du c_ur. La seconde gaine optique assure la fonction classique de guidoge optique du signal. Par ailleurs, les fibres optiques dites > sont utilisées pour l'amplification et sont généralement constituées de deux c_urs concentriques: un c_ur central monomode constitué d'un milieu amplificateur et destiné à la propagation d'un unique signal optique à amplifier, et un c_ur multimode, entourant le c_ur monomode, utilisé pour la propagation d'un faisceau de pompage. Une gaine optique entoure le c_ur multimode. L'indice de réfraction est le plus élevé dans le c_ur central et le plus faible dans la gaine. Ainsi, les deux c_u rs con centriq ues se com portent com me des g u ides d 'ondes. Une fibre optique amplificatrice fonctionne sur le principe dit de l'émission stimulée, selon lequel un matériau peut émettre une onde lumineuse de méme longueur d'onde et de même phase que l'onde lumineuse transmise, et cela par excitation dudit matériau au moyen d'une source lumineuse de grande énergie, typiquement un laser de pompage dont la longueur d'onde est inférieure à celle du signal transmis dans la fibre. Les principaux matériaux amplificateurs utilisés sont des ions de terre rare tels que de l'erbium ou de l'ytterEium par exemple, et sont généralement intogrés comme dopants dans le c_ur central monomode de la fibre. 1 03830/MK/OOFD \\klefilO 1 \DPI$\Salle\F 1 03830\PREMDEP\.ADMIN\de pot. doc 3 2830087 Le faisceau de pompage est clossiquement émis par un laser à iniection apte à émettre un faisceau d'une grande puissance. Le faisceau de pompage se propage dans le c_ur multimode de la fibre optique et traverse réqulièrement le c_ur monomode. L'interaction entre la pompe et le milieu amplificateur d'une part, et entre le signal et le milieu amplificateur d'autre part permet une amplification du signal. Le faisceau signal est ainsi amplifié optiquement par les inversions de populations dues aux absorptions du faisceau de pompage par le matériau amplificateur du c_ur central. L'efficacité de l'amplification est directement liée à l'efficacité du pompage qui est essentiellement conditionnée par l'efficacité du couplage entre le c_ur monomode et le c_ur multimode. Or, une des difficultés qui se posent avec les c_urs concentriques cylindriques est que certains rayons lumineux véhiculés par le c_ur multimode suivent une trojectoire en hélice autour du c_ur monomode sans jamais y pénétrer, c'est à dire sans jamais traverser le matériau amplificateur. L'énergie portée par ces rayons est donc injectée en vain dans la fibre, car elle n'est jamais utilisoe pour amplifier le signal transporté dans le c_ur monomode. Ainsi, les fibres optiques à pompage comportent généralement une structure particulière qui leur permet d'accepter davantage de puissance optique de pompage et ainsi d'augmenter l'amplification du signal optique qui est obtenue par absorption d'énergie. Par exemple, pour tenter de résoudre ce problème, il a déjà été proposé, notamment dans le brevet US- A-5 966 491, de former des rainures longitudinales dans la surface externe du c_ur multimode, afin de briser les trojectoires en hélice des rayons lumineux et forcer ces derniers à rencontrer l'interface du c_ur monomode. Il est également connu de récliser une interface de géométrie irréqulière entre le c_ur multimode et la gaine optique, telle que cela est décrit dans la demande de brevet WO 01/38244, afin de modifier les trojectoires des signaux optiques et provoquer des changements de modes, ou d'introduire des particules solides dans la gaine optique, telle que cela est décrit dans la demande de brevet EP l 072 911 A1, afin de perturber mécaniquement les trojectoires des rayons lumineux des signaux se propageant dans le c_ur multimode. 103830/MK/OOFD \\klefilO1\DPl$\Solle\F103830\PREMDEP\ADMIN\depot.doc i 4 2830087 La présente invention propose une autre solution pour augmenter le couplage de mode dans une fibre optique amplificatrice. A cet effet, I'invention propose une fibre optique comprenant une double gaine plastique entourant le c_ur. Ainsi, le couplage de mode est assuré par une gaine intermédiaire présentant des inhomogénéités et dont l'indice de réfraction est sensiblement égal à celui du c_ur multimode. La seconde gaine optique assure la fonction classique de guidoge optique des signaux dans le c_ur multimode. Les perturbations introduites dans la gaine intermédiaire sont des perturÉations optiques. L'indice de la gaine intermédiaire est en effet sensiblement égale à celui du c_ur multimode, les signaux optiques du c_ur multimode vont donc se propager également dans cette gaine intermédiaire, mais les inhomogénéités présentes dans cette gaine induisent des variations locales d'indice de réfraction qui modifient les modes de propagation optique des signaux du c_ur multimode. Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à une fibre optique comprenant un c_ur optique multimode en silice d'indice de réfraction n et au moins une gaine optique en polymère d'indice de réTraction n2, avec n>n2, caractérisoe en ce qu'elle comprend en outre une gaine optique intermédiaire en polymère hétérogène, située entre ladit c_ur multimode et ladite gaine optique, et ayant un indice de réfraction sensiblement égal à l'indice de réfraction n' du c_ur multimode. Selon une caractéristique, la gaine optique intermédiaire présente une épaisseur inférieure ou égale à l O m. Selon les modes de réclisation, la gaine optique intermédiaire en polymère hétérogène est composse d'un polymère intrinsèquement inhomogène incluant des variations de densité locales, tel que des réseaux de polyoréthane acrylate, ou d'un alliage et/ou d'un mélange de polymères différents, ou de réseaux de polymères interpénétrés ou semi- interpénétrés, ou d'un polymère contenant des particules transparentes organiques ou inorganiques. Selon une application, la fibre optique selon l'invention comprend un c_ur central monomode en silice d'indice de réTraction nO entouré du c_ur multimode en silice d'indice de réfraction n', avec nO>n, et constitue un 103830/MK/OOFD \\klefii01\DPI$\5alle\F103830\PREMDEP\ADMIN\depot.doc 2830087 amplificateur optique, le c_ur central monomode étant dopé avec un matériau amplificateur. Les particularités et avantages de la présente invention appara^'tront plus clairement à la lecture de la description qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles: - la figure l illustre schématiquement par une vue en coupe transversale d'une fibre optique de transmission selon l'invention; - la figure 2 illustre schématiquement par une vue en coupe transversale d'une fibre optique amplificatrice selon l'invention. La structure de la fibre optique proposée par la présente invention peut être appliquée à une fibre de transmission optique multimode, ou à une fibre amplificatrice. Une telle fibre est en effet constituce d'un c_ur optique multimode 10 en silice d'indice de réfraction n1 et d'une gaine optique 30 en polymère d'indice de réfraction n2, avec n1>n2. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la fibre comprend en outre une gaine optique intermédiaire 20 en polymère hétérogène, située entre ledit c_ur multimode lO et ladite gaine 30, et ayant un indice de réfraction sensiblement égal à l'indice de réfraction n1 du c_ur multimode. Les signaux optiques se propageant dans le c_ur multimode 10 vont pénétrer dans la gaine intermédiaire 20 puisque l'indice de réfraction n1 est le même, la gaine intermédiaire 20 ne fait pas office de guide d'onde. L'épaisseur de la gaine optique intermédiaire 20 doit être choisie limitée de manière à éviter une propagation propre d'un ou plusieurs modes optiques du signal. Par exemple, la gaine polymère intermédiaire présente avantageusement une épaisseur inférieure ou égale à l Olim. La gaine optique intermédiaire 20 est en polymère hétérogène, c'est à dire présente des inhomogénéités provoquant des changements de mode optique des signaux qui la traversent. Les inhomogénéités de la gaine intermédiaire 20 sont des inhomogénéités qui induisent des effets essentiellement optiques par des variations locales de l'indice de réfraction n1. 103830/MK/OOFD \\klefilO1\DPl$\Salle\F103830\PREMDEP\ADMIN\depot.doc 6 2830087 Selon un premier mode de réclisation, la gaine intermédiaire 20 peut, par exemple, étre composée d'un polymère intrinsèquement inhomogène incluant des variations de densité locales. Par exemple, les réseaux de polyuréthane acrylate présentent, dans leur structure naturelle, des agglomérats durs (connus sous le terme de " hard cluster >> en terminologie anglaise) qui induisent des variations de densité et donc d'indice de réTraction. Ces agglomérats sont généralement répartis de manière aléatoire dans le réseau de polymère et doivent avoir une taille suffisante pour provoquer une réfraction locale de la lumière, soit environ 1/20 de la longueur d'onde de signal transmis. La quantité et la taille des agglomérats peuvent être alustées par un homme du métier en variant les compositions de résines utilisées pour préparer le polymère de cette gaine intermédiaire 20. Selon un deuxième mode de réclisation possible, la gaine optique intermédiaire 20 en polymère hétérogène peut être composée d'un alliage et/ou d'un mélange de polymères différents. Un tel mélange peut être effectué à un niveau nanométrique ou micrométrique, selon les polymères choisis par l'homme du métier pour récliser cette gaine intermédiaire. Selon un autre mode de réclisation envisageable, la gaine optique intermédiaire 20 en polymère hétérogène peut être composse d'un polymère contenant des pa rticules transpa rentes organ iq ues ou inorganiques dont la nature, la quantité et la taille peuvent être déterminces par l'homme du métier en fonction des applications. Selon un autre mode de réclisation possible, la gaine optique intermédiaire en polymère hétérogène peut être composée de résaoux de polymères interpénétrés (connus sous l'acronyme IPN pour Interpenetrating Polymer Network en terminologie anglaise) ou semi-interpénétrés (SIPN). Un résaou interpénétré correspond à un assemblage macromoléculaire d'au moins deux réseaux de polymères partiellement interlacés, et un réseau semi- interpénétré correspond à un assemblage macromoléculaire d'au moins un réseau de polymère avec au moins une chaîne linéaire. Ces exemples de composition de la gaine intermédiaire en polymère hétérogène ne sont donnés qu'à titre d'exemple illustratif, et d'autres compositions hétérogènes peuvent être envisagées, telles que des polymères en solutions, en émulsions, ou des matériaux thermoplastiques par exemple. 1 03830/MK/OOFD \\klefilOl\DPl$\Salle\F1 03830\PREMDEP\ADMIN\depot.doc 7 2830087 Les exemples décrits ci-dessus pour récliser la gaine intermédiaire 20 présentent cependant l'avantage de ne pratiquement pas modifier les procédés de fabrication classiques des fibres optiques qui utilisent déjà de tels polymères pour récliser les revêtements de fibres. Un simple ajout d'une filière supplémentaire permet de récliser la gaine intermédiaire en ligne lors du fibrage de la fibre optique. La gaine optique intermédiaire 20 définit dans la présente invention permet avantageusement d'améliorer le couplage des modes optiques se propageant dans le c_ur multimode 10. En effet, les défauts optiques, naturels ou ajoutés, dans la gaine intermédiaire 20 en polymère hétérogène permettent de provoquer des changements de mode dans la propagation des signaux optiques transmis par le c_ur multimode l O. Ainsi, dans le cas d'une application aux fibres optiques de transmission, de tels changements de modes optiques de propagations des signaux entraîneront un élargissement de la bande passante de transmission, sans pour autant entraîner une dégradation importante de l'atténuation des signaux optiques transmis. En effet, le c_ur de la fibre, dans lequel se propage l'essentiel de l'énergie lumineuse, est com posé de si l ice q u i présente de très bon n es p rop riétés en terme d'attén uation. Une tel le fibre est particulièrement adaptée à des applications de réseaux d'accès pour des transmissions haut débit sur des distances moyennes. De même, dans le cas d'une application aux fibres optiques amplificatrices, c'est à dire dans le cas o le c_ur multimode 10 entoure un c_ur monomode 9 dopé d'un matériau amplificateur, de tels changements de modes optiques de propagations des signaux entraînera une amélioration de l'efficacité du couplage entre le c_ur monomode et le c_ur multimode. 103830/MK/OOFD \\klefilO1\DPl$\Salle\F103830\PREMDEP\ADMIN\depot.doc REVENDICATIONS 1. Fibre optique comprenant un c_ur optique multimode (10) en silice d'indice de réfraction n et au moins une gaine optique (30) en polymère d'indice de réfraction n2, avec n'>n2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une gaine optique intermédiaire (20) en polymère hétérogène, située entre ledit c_ur multimode (10) et ladite gaine optique (30), et ayant un indice de réfraction sensiblement égal à l'indice de réfraction n du c_ur multimode (10). 2. Fibre optique selon la revendication 1, caractérisoe en ce que la gaine optique intermédiaire (20) présente une épaisseur inférieure ou égale à 10,um. 3. Fibre optique selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que la gaine optique intermédiaire (20) en polymère hétérogène est composée d'un polymère intrinsèquement inhomogène incluant des variations de densité locales. 4. Fibre optique selon la revendication 3, caractérisée en ce que la gaine optique intermédiaire (20) en polymère hétérogène est composée de réseaux de polyuréthane acrylate. 5. Fibre optique selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que la gaine optique intermédiaire (20) en polymère hétérogène est composée d'un alliage et/ou d'un mélange de polymères différents. 6. Fibre optique selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que la gaine optique intermédiaire (20) en polymère hétérogène est composoe de réseaux de polymères interpénétrés ou semi-interpénétrés. 7. Fibre optique selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que la gaine optique intermédiaire (20) en polymère hétérogène est composée d'un polymère contenant des particules transparentes organiques ou inorganiques. 8. Fibre optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée ne ce qu'elle comprend un c_ur central monomode (9) en silice d'indice de réfraction nO entouré du c_ur multimode (10) en silice d'indice de réfraction n, avec nO>n. 9. Fibre optique selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle constitue un amplificateur optique, le c_ur central monomode (9) étant dopé avec un matériau amplificateur.