Brevet FR2896795A1 — publié le 20070803

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PREFORME DE FIBRE OPTIQUE La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une préforme de fibre optique. Une fibre optique est en effet réalisée en étirant une préforme sur une tour de fibrage. Une préforme comprend par exemple une préforme primaire constituée d'un tube de verre de très haute qualité, d'une partie de la gaine et du coeur de la fibre. Cette préforme primaire est ensuite rechargée ou manchonnée pour augmenter son diamètre et former une préforme utilisable sur une tour de fibrage. Dans ce contexte, on appelle gaine interne la gaine formée à l'intérieur du tube et gaine externe la gaine formée à l'extérieur du tube. L'opération de fibrage homothétique consiste à placer la préforme verticalement dans une tour et à tirer un brin de fibre d'un bout de la préforme. Pour cela, une haute température est appliquée localement à une extrémité de la préforme jusqu'à ce que la silice soit ramollie, la vitesse de fibrage et la température sont ensuite contrôlées en permanence pendant le fibrage car elles déterminent le diamètre de la fibre. La géométrie de la préforme doit respecter parfaitement les rapports des indices de réfraction et des diamètres du coeur et de la gaine de la fibre afin que la fibre étirée présente le profil requis. Pour des fibres optiques, on qualifie généralement le profil d'indice en fonction de l'allure du graphe de la fonction qui associe au rayon de la fibre l'indice de réfraction. On représente de façon classique sur les abscisses la distance r au centre de la fibre, et sur les ordonnées la différence entre l'indice de réfraction et l'indice de réfraction de la gaine externe de la fibre. On parle ainsi de profil d'indice en "échelon", en "trapèze" ou en "triangle" pour des graphes qui présentent des formes respectives d'échelon, de trapèze ou de triangle. Ces courbes sont généralement représentatives du profil théorique ou de consigne de la fibre, les contraintes de fabrication de la fibre pouvant conduire à un profil sensiblement différent. Une fibre optique est classiquement composée d'un coeur optique, ayant pour fonction de transmettre et éventuellement d'amplifier un signal optique, et d'une gaine optique, ayant pour fonction de confiner le signal optique dans le coeur. A cet effet, les indices de réfraction du coeur n, et de la gaine ne sont tels que n,>ne. Comme cela est bien connu, la propagation d'un signal optique dans une fibre R \Brevets,24500A24536- 000124-texte depot duc - 24 01,0 0 15 01 - 1/12 optique monomode se décompose en un mode fondamental guidé dans le coeur et en des modes secondaires guidés sur une certaine distance dans l'ensemble coeur-gaine, appelés modes de gaine. On utilise classiquement comme fibre de ligne pour les systèmes de transmission à fibres optiques, des fibres à saut d'indice, appelées aussi fibres SMF (acronyme de l'anglais "Single Mode Fiber"). Une fibre SMF présente classiquement un coeur en silice dopée au Germanium pour augmenter son indice de réfraction et une gaine en silice pure. Afin d'améliorer l'atténuation dans une fibre optique, il est connu de diminuer la quantité de dopant dans le coeur. Toutefois, comme la différence d'indice entre le coeur et la gaine est fixée par les propriétés de propagation recherchée au niveau de la fibre optique, il faut alors diminuer l'indice de la gaine, tout au moins l'indice de la gaine interne qui sera dopée par exemple avec du Fluor. La condition ne>ng sur les indices de réfraction du coeur ne et de la gaine ng doit être remplie pour assurer le guidage du signal optique le long de la fibre. Il existe ainsi des fibres à coeur en silice pure, appelées aussi fibres PSCF (acronyme de l'anglais "Pure Silica Core Fiber"). L'absence de dopant dans le coeur d'une fibre PSCF permet de limiter les pertes optiques. Une PSCF présente donc classiquement une gaine en silice dopée avec du Fluor pour diminuer son indice de réfraction. Une fibre PSCF peut être fabriquée à partir d'une préforme comprenant une préforme primaire constituée d'un tube, généralement en quartz, dans lequel une ou plusieurs couches de silice dopées au Fluor ont été déposées pour former une gaine interne et une ou plusieurs couches de silice pures ont été déposées pour former le coeur central de la fibre. Après le dépôt des couches correspondant au coeur et à la gaine interne, le tube est refermé sur lui-même dans une opération appelée rétreint. On obtient alors la préforme primaire. Cette préforme primaire est ensuite rechargée, généralement avec du grain de silice naturelle pour des raisons de coûts. Une fibre PSCF classique, ou une fibre optique présentant un coeur central faiblement dopé au Germanium avec une gaine dopée au Fluor, présentera donc un profil d'indice avec un coeur central de rayon a et d'indice n, correspondant à l'indice de la silice ou légèrement plus élevé que celui de la silice, et une gaine interne enterrée de rayon extérieur b. La gaine interne est dite enterrée car elle présente un indice de réfraction ng inférieur à celui de la gaine externe ne obtenue par la recharge R-'Brevets\24500A24536ù 060124-texte depot doc. - 21'01'06 - 15 01 - 2%12 ou le manchonnage de la préforme primaire. Cette gaine externe est généralement en verre de silice pure et présente sensiblement le même indice de réfraction que le coeur central dans le cas d'une PSCF. Dans la structure décrite ci-dessus, avec une gaine externe présentant sensiblement le même indice de réfraction que le coeur central, le mode fondamental n'est pas complètement guidé et présente des pertes supplémentaires, dites de fuite. Pour minimiser ces pertes de fuite, il faut diminuer le pourcentage d'énergie se propageant dans la gaine externe en silice pure. Le rapport entre le rayon extérieur de la gaine interne dopée au Fluor et le rayon du coeur (b/a) doit donc être suffisamment important ; c'est-à-dire que la gaine interne en silice dopée doit être prolongée au moins jusqu'à un rayon b critique dont la valeur dépend du rayon du coeur et de la différence An = n,- ng entre l'indice du coeur et celui de la gaine interne ; on considère pour une fibre monomode qu'un rapport entre le rayon de la gaine interne et le rayon du coeur supérieur ou égal à 8 (b/a >8) permet d'assurer un bon confinement du signal optique dans le coeur central et d'avoir un niveau acceptable de pertes de fuite. Pour élargir le diamètre extérieur de la gaine dopée au Fluor, il a été proposé dans le document JP 55100233 d'utiliser un tube en silice dopée au Fluor pour réaliser la préforme primaire. Par ailleurs, la capacité d'une préforme est définie comme la quantité de longueur de fibre optique qui peut être étirée à partir de cette préforme. Plus le diamètre de la préforme est important, plus la capacité sera grande. Pour réduire les coûts de fabrication, il est souhaitable de fournir de grandes longueurs de fibres linéaires à partir d'une même préforme. On cherche donc à fabriquer des préformes de grand diamètre tout en respectant les contraintes précitées sur les diamètres de coeur central et de gaine dopée au Fluor. Dans ce contexte, soit le ratio entre le rayon extérieur de la préforme primaire et le rayon du coeur central est relativement élevé et la quantité de silice à déposer à l'intérieur du tube est importante : la préforme primaire coûte cher et le procédé est peu productif, soit le ratio entre le rayon extérieur du tube et le rayon du coeur central est relativement faible et la fibre optique obtenue par fibrage de la préforme finale n'a pas les bonnes propriétés et son atténuation est sensiblement plus élevée. R ` Rre,ets`24500A24536-060124-texte depot doc - 24 01 06 - 15 01 - 412 EP 1 544 175 propose de réaliser une préforme avec une partie de la gaine externe en silice dopée au Fluor afin d'agrandir le diamètre total de la gaine dopée au Fluor sans augmenter le diamètre de la préforme primaire coûteuse. La préforme primaire est obtenue par dépôts successifs de couches de silice dopée dans un tube en silice dopée au Fluor, puis cette préforme primaire est rechargée avec une première couche de grain synthétique en silice dopée au Fluor puis par une couche de grain de silice naturelle. La recharge à partir de grain synthétique en silice dopée au Fluor permet d'agrandir le diamètre de la gaine dopée au Fluor pour un même diamètre de coeur et de réduire ainsi les pertes de fuites. La recharge de la préforme primaire à partir de grain de silice dopée au Fluor est moins chère que le dépôt de silice dopée au Fluor à l'intérieur du tube. Néanmoins, le grain de silice dopée au Fluor est un grain synthétique qui est nettement plus cher que le grain de silice naturelle. US 2002/0144521 décrit un procédé de fabrication de préforme de grande capacité. Ce document propose de réaliser une préforme primaire par dépôt d'un coeur central de grand diamètre à l'intérieur d'un tube dopé au Chlore et au Fluor. Le tube est dopé au Fluor pour compenser l'augmentation de l'indice de réfraction engendrée par le dopage au Chlore. Le tube est dopé au Chlore pour limiter la présence de groupes OH qui dégradent les propriétés de transmission optique dans le coeur central. L'utilisation d'un tel tube dopé au Chlore et au Fluor permet de réduire l'épaisseur de la gaine interne déposée dans le tube afin de fabriquer une préforme primaire ayant un diamètre de coeur central élargi. Cette préforme primaire est ensuite rechargée pour obtenir une préforme finale de grand diamètre et donc de grande capacité. Le tube dopé au Chlore et au Fluor protège le coeur central des impuretés apportées par le procédé de recharge à partir de grain de silice naturelle. Ce tube présente cependant un indice de réfraction sensiblement égal à celui de la silice pure. Le compromis entre la fabrication d'une préforme peu coûteuse et de grande capacité pour étirer une fibre optique présentant des pertes optiques réduites avec un coeur central non dopé ou faiblement dopé et avec une gaine interne dopée au fluor, reste encore à améliorer. L'invention propose en conséquence d'utiliser un tube en silice dopée au Fluor qui soit suffisamment épais pour limiter la quantité de silice déposée à l'intérieur du tube et permettre une recharge à partir de grains de silice naturelle, tout en R VBrevets'2_4500'24536ù06? I24-texte depol doe - .4.01'06 - 15 01 - 412 garantissant un rapport entre le diamètre de la gaine dopée au Fluor et le diamètre du coeur (b/a) suffisamment important pour assurer le confinement du signal optique dans le coeur central. L'invention propose plus particulièrement un procédé de fabrication d'une préforme finale de fibre optique par recharge d'une préforme primaire ayant une surface en coupe totale prédéterminée, le procédé comprenant au moins une étape de fabrication de la préforme primaire par dépôt d'une gaine interne et d'un coeur central à l'intérieur d'un tube en silice dopée au Fluor, le tube étant choisi tel qu'il présente une surface en coupe inférieure de 10 à 15 % à la surface en coupe totale de la préforme primaire. Selon un mode de réalisation, la recharge est effectuée à partir de grains de silice naturelle. Selon une caractéristique, le tube choisi présente une surface en coupe supérieure à 700 mm2. Selon une caractéristique, le dépôt à l'intérieur du tube est contrôlé pour que le rapport entre le rayon extérieur de la préforme primaire et le rayon du coeur central soit supérieur ou égal à 8. L'invention propose aussi une préforme finale de fibre optique comprenant : - une préforme primaire présentant une surface en coupe totale prédéterminée et constituée d'un tube en silice dopée au Fluor présentant une surface en coupe inférieure de 10 à 15 % à la surface en coupe totale de la préforme primaire dans lequel un coeur central et une gaine interne ont été déposés ; - une recharge en silice. Selon une caractéristique, le tube de la préforme primaire présente une surface 25 en coupe supérieure à 700 mm2. Selon une caractéristique, le tube en silice comprend du Fluor dans une concentration comprise entre 1 et 2% en masse. Selon un mode de réalisation, la gaine interne est en silice dopée au Fluor. Selon un mode de réalisation, le coeur central est en silice pure ou légèrement 30 dopée. Selon un mode de réalisation, la recharge est en grains de silice naturelle. Selon une caractéristique, le rapport du diamètre extérieur de la préforme primaire sur le diamètre du coeur central est supérieur ou égal à 8. R \Brevets\24500124536--060124-texte depot doc - 24/01 /06 -15.01 - 5/12 L'invention concerne aussi une fibre optique obtenue par fibrage de la préforme finale selon l'invention. Selon une caractéristique, la fibre présente, pour une longueur d'onde de 1550 nm, des pertes inférieures ou égales à 0,18 dB/km. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple et en référence aux dessins qui montrent: figure 1, une vue schématique en coupe d'une préforme selon l'invention ; 10 - figure 2, un exemple de profil d'indice de consigne d'une fibre optique obtenue par fibrage de la préforme selon l'invention. L'invention propose un procédé de fabrication d'une préforme de fibre optique. Une préforme primaire est fabriquée à partir d'un tube épais en silice dopée au 15 Fluor. Le tube présente une surface en coupe inférieure del0 à 15% à la surface en coupe totale de la préforme primaire, c'est-à-dire qu'une grande partie de la gaine interne de la préforme primaire est constituée du tube épais dopé au Fluor. La quantité de dépôt dans le tube est ainsi limitée et une préforme primaire de grande capacité peut être fabriquée à un coût réduit. Le tube peut présenter une surface en 20 coupe supérieure à 700 mm2, par exemple égale à 900 mm2, et une concentration en Fluor comprise entre 1 et 2 % en masse. La plupart des tubes utilisés jusqu'à présent pour la fabrication de préforme primaire ont une surface en coupe inférieure à 400 2 mm . La préforme primaire est fabriquée par dépôts successifs à l'intérieur du tube 25 de couches de silice dopée au Fluor pour constituer une gaine interne et de couches de silice pure ou faiblement dopée au Germanium pour constituer un coeur central. Les dépôts dans le tube sont du type dépôt chimique en phase vapeur, désigné par le sigle CVD pour Chemical Vapour Deposition en langue anglaise. Ce type de dépôt est effectué par injection dans le tube d'un mélange gazeux constitués des 30 précurseurs comme du tétrachlorure de silicium (SiC14), du tétrachlorure de germanium (GeC14), de l'oxychlorure de phosphore (POCI-), du tétrafluorure de silicium (SiF4) ou de l'hexafluorothane (C2F6) et d'oxygène . L'oxydation desdits précurseurs permet de synthétiser les différentes couches composant le coeur et la R 1Brevels/224500`v24536ù060124 texte depot 1 c - 2401'06 - 1501 - 6/12 gaine interne de la préforme primaire. Le dépôt de type CVD englobe les dépôts MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition), FCVD (Furnace Chemical Vapour Deposition) et PCVD (Plasma enhanced Chemical Vapour Deposition). Après l'opération de rétreint, la préforme primaire est rechargée à partir de grains de silice, de préférence des grains de silice naturelle peu coûteux, pour obtenir une préforme finale. La recharge de la préforme finale peut être effectuée par un dépôt plasma dans lequel les grains de silice naturelle sont soufflés et fusionnés par une torche plasma sous une température de l'ordre de 2300 pour être vitrifiés sur la périphérie de la préforme primaire. L'opération de recharge s'effectue généralement dans une cabine close à atmosphère contrôlée pour assurer une protection contre les perturbations électromagnétiques et le dégagement d'ozone émis par la torche plasma. La figure 1 montre une vue en coupe de la préforme finale selon l'invention. La préforme finale a été obtenue par recharge 16 d'une préforme primaire 15. La préforme primaire 15 présente une surface en coupe totale prédéterminée en fonction de capacité de fibrage recherchée. La préforme primaire 15 a été fabriquée par dépôt CVD 11 de couches de silice dopée et/ou pure à l'intérieur d'un tube 10. Selon l'invention le tube 10 utilisé pour fabriquer la préforme primaire est un tube en silice dopée au Fluor avec une concentration comprise entre 1 et 2% en masse. En outre, le tube en silice dopée au Fluor utilisé dans le procédé de l'invention est épais avec une surface en coupe, désignée par le sigle CSA (pour Cross Section Area en anglais), inférieure de 10 à 15 % à la surface en coupe totale de la préforme primaire. Par exemple, le tube peut présenter une surface en coupe supérieure à 700 mm2. La surface en coupe s'exprime de la manière suivante : CSA= (Oe2 ùçi2 Avec çe et 0 , les rayons respectivement extérieur et intérieur du tube. Pour obtenir un CSA de grande valeur, supérieur à 700 mm2, le tube doit présenter à la fois un grand diamètre extérieur et un petit diamètre intérieur. Pour la fabrication d'une fibre optique avec un cœur central pas ou faiblement dopé au Germanium, la présence de Fluor dans le tube et la large épaisseur du tube permettent de limiter l'épaisseur de la gaine interne dopée au Fluor à déposer à R ABrevets\24500A24536ù 060124-texte depot doc 24 01 06 - 15 .01 - 7112 l'intérieur du tube, sans pour autant nécessiter le dépôt d'une gaine externe dopée au Fluor pour garantir les caractéristiques de propagation du signal dans le coeur. Le petit diamètre intérieur q5i du tube permet de limiter l'épaisseur des couches déposées à l'intérieur du tube, les dépôts de type CVD étant relativement coûteux. On ne dépose à l'intérieur du tube que le coeur central et une petite portion de gaine intérieure dopée au Fluor. Le grand diamètre extérieur çbedu tube permet de réaliser la recharge 16 de la préforme primaire 15 à partir de grains de silice naturelle, peu coûteux, tout en garantissant, sur la fibre optique obtenue après fibrage, une large gaine enterrée. On peut ainsi fabriquer des préformes primaire 15 avec un gros coeur central, occupant une grande portion des couches 11 déposées à l'intérieur du tube 10, et donc augmenter la capacité de fibrage de la préforme finale, sans altérer les caractéristiques de propagation du signal optique. Par exemple, à partir d'un tube 10 ayant une surface en coupe de 900 mm2, on peut fabriquer une préforme primaire 15 ayant une surface en coupe de 1035 mm2 en ne déposant que 135 mm2 linaire de silice par dépôt CVD 11. Le coût de fabrication d'une telle préforme primaire est donc réduit. De manière plus générale, la surface en coupe de la préforme primaire 15 ne sera que 10% à 15% plus grande que la surface en coupe du tube 10. La quantité de dépôt à l'intérieur du tube est donc limitée dans le procédé selon l'invention. En outre, à partir d'une telle préforme primaire 15, ayant une surface en coupe de l'ordre de 1035 mm2, il est possible d'obtenir après recharge 16 une préforme de grand diamètre permettant le fibrage d'une grande quantité linéaire de fibre, soit environ 250 km de fibre pour une préforme finale de 1 mètre. Le tube épais en silice dopée au Fluor 10 peut être fabriqué selon une technique dite sol-gel, connue en soi, qui consiste à fabriquer un gel de silice que l'on moule en forme de tube et que l'on sèche. On obtient alors un tube rigide mais poreux qui est densifié sous air chaud. Un dopant Fluoré peut être ajouté directement dans le gel de silice ou lors du chauffage du tube séché par injection d'un gaz fluoré. La figure 2 montre un profil d'indice de consigne de la fibre obtenue par étirage homothétique de la préforme selon l'invention. Sur la figure 2, on voit le coeur central de rayon a et d'indice de réfraction n, sensiblement égal à l'indice de réfraction de la gaine externe ne qui correspond à RABrevetsV24500A24576--060' 24-texte depot doc - 2,011'06 - 15 01 - 8/12 l'indice de la silice pure. Le coeur peut être en silice pure ou légèrement dopée et la gaine est de préférence en silice pure pour les raisons de coûts invoqués plus haut. Une gaine interne d'indice de réfraction ng sépare le coeur de la gaine externe. La gaine interne est enterrée, c'est-à-dire que son indice de réfraction ng est plus faible que l'indice de la gaine extérieure ne. Cette condition est imposée par le fait que le coeur central présente un indice de réfraction ne proche de celui de la silice pure et que la relation ne>ng doit être maintenue pour garantir la propagation du signal optique. A cet effet, la gaine interne est en silice dopée au Fluor. Comme indiqué précédemment, la gaine interne de la fibre correspond à la zone de la préforme selon l'invention recouvrant le tube et la gaine interne déposée à l'intérieur du tube. Plus spécifiquement, la gaine enterrée comprend les couches de silice dopée au Fluor déposées par exemple par PCVD dans le tube et le tube lui-même. On a reporté sur le schéma de la figure 2 le rayon du coeur a, le rayon de la gaine interne déposée dans le tube et qui correspond au rayon intérieur du tube Oi et le rayon extérieur du tube Oe qui correspond au rayon extérieur b de la gaine dopée au Fluor. Le rayon extérieur b de la gaine dopée au Fluor correspond donc au rayon extérieur de la préforme primaire obtenue par le procédé de fabrication selon l'invention, avant recharge. Ainsi, selon les définitions données précédemment, le rapport b/a ù ou çe /a ù est supérieur ou égal à 8. Le signal optique se propageant dans une fibre présentant le profil d'indice de la figure 2 sera donc bien confiné dans le coeur central faiblement dopé ou non dopé. Les pertes optiques dans une fibre étirée à partir de la préforme selon l'invention seront inférieures ou égales à 0,18 dB/km pour une longueur d'onde de transmission de 1550 nm. Le procédé de l'invention permet donc de fabriquer une préforme de grande capacité à coût réduit qui permette le fibrage d'une fibre optique présentant des pertes en transmission réduites. R0.13revets\24500 24 53 6ù0601 2 4-feue depot doc - 24101 /06 15.01 - 9/12 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une préforme finale de fibre optique par recharge (16) d'une préforme primaire (15) ayant une surface en coupe totale prédéterminée, le procédé comprenant au moins une étape de fabrication de la préforme primaire (15) par dépôt (11) d'une gaine interne et d'un coeur central à l'intérieur d'un tube (10) en silice dopée au Fluor, le tube (10) étant choisi tel qu'il présente une surface en coupe inférieure de 10 à 15 % à la surface en coupe totale de la préforme primaire. 2. Le procédé de la revendication 1, dans lequel la recharge est effectuée à partir de grains de silice naturelle. 3. Le procédé de la revendication 1 ou 2, dans lequel le tube choisi (10) présente une surface en coupe supérieure à 700 mm2. 4. Le procédé de l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le dépôt à l'intérieur du tube est contrôlé pour que le rapport entre le rayon extérieur de la préforme primaire et le rayon du coeur central soit supérieur ou égal à 8. 5. Préforme finale de fibre optique comprenant : - une préforme primaire présentant une surface en coupe totale prédéterminée et constituée d'un tube en silice dopée au Fluor présentant une surface en coupe inférieure de 10 à 15 % à la surface en coupe totale de la préforme primaire dans lequel un coeur central et une gaine interne ont été déposés ; - une recharge en silice. 6. La préforme finale de la revendication 5, caractérisée en ce que le tube de la préforme primaire présente une surface en coupe supérieure à 700 mm2. 7. La préforme finale de la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le tube en silice comprend du Fluor dans une concentration comprise entre 1 et 2% en masse. 8. La préforme finale de l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que la gaine interne est en silice dopée au Fluor. R \Brevets\24500\24536ù 060124-texte depot doc - 24/01/06 - 15 01 - 10/12 9. La préforme finale de l'une des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que le coeur central est en silice pure ou légèrement dopée. 10. La préforme finale de l'une des revendications 5 à 9, caractérisée en ce que la recharge est en grains de silice naturelle. 11. La préforme finale de l'une des revendications 5 à 10, caractérisée en ce que le rapport du diamètre extérieur de la préforme primaire sur le diamètre du coeur central est supérieur ou égal à 8. 12. Une fibre optique obtenue par fibrage de la préforme finale selon l'une des revendications 5 à 11. 13. La fibre de la revendication 12, présentant, pour une longueur d'onde de 1550 nm, des pertes inférieures ou égales à 0,18 dB/km. R VBrevetsV24500A24536--060 I24-texte depot doc - 24/01 /06 - 15 01 - 11/12