Brevet FR2903501A1 — publié le 20080111

FIBRE OPTIQUE DOPEE AU FLUOR La présente invention concerne le domaine des transmissions par fibre optique, et plus spécifiquement, une fibre optique dopée au Fluor. 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 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 ne>ne. Comme cela est bien connu, la propagation d'un signal optique dans une fibre 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. Le signal transmis dans la fibre subit des pertes optiques qui s'accumulent avec la distance parcourue. Ces pertes en transmission augmentent notamment lorsque la fibre est soumise à des irradiations ionisantes telles des rayonnements beta, alpha, gamma et X. La fibre peut subir une telle irradiation lorsqu'elle est utilisée dans un système optique de communication dans un environnement présentant des radiations ionisantes, par exemple dans une centrale nucléaire, dans un laboratoire d'accélération de particule ou dans un satellite envoyé dans l'espace. Dans un tel environnement, l'irradiation peut atteindre des niveaux de doses supérieurs ou égaux à 100 Gray, soit 10 000 rad. R:\Brevets\24700\24790--060704-ixt déposé doc - 2006-07-04 - 9:48 2903501 -2- On utilise classiquement comme fibre de ligne pour les systèmes de transmission à fibres optiques, des fibres monomodes à saut d'indice, appelées aussi fibres SSMF (acronyme de l'anglais "Standard Single Mode Fiber"). Le saut d'indice est généralement obtenu par un dopage au Phosphore ou au Germanium, qui 5 permettent d'augmenter l'indice. Le saut d'indice peut également être obtenu par un dopage au fluor, qui permet de diminuer l'indice. Ces fibres présentent des pertes en transmission faibles, généralement inférieures à 0,4dB/km sur une large plage spectrale (au moins 1300-1650nm), mais sont sensibles aux radiations ionisantes. Une fibre SSMF placée dans un environnement irradiant de 30kGray verra ses pertes 10 en transmission augmenter de quelques 10 à 10 000 dB/km à 1310nm, cette augmentation dépendant fortement des conditions d'irradiation (en particulier le débit) . Une fibre SSMF classique n'est donc pas adaptée à une utilisation dans un système optique de communication installé dans un environnement présentant des radiations ionisantes à fortes doses, soit supérieures à 100 à 1000 Gy. 15 Il existe par ailleurs des fibres spécifiquement conçues pour être utilisées dans un environnement présentant des radiations ionisantes. Par exemple, US-A-4 690 504 divulgue une fibre optique sans Germanium (Ge) dans le coeur. L'absence de Ge dans le coeur permet d'obtenir une meilleure résistance aux radiations ionisantes. La gaine optique est dopée avec un dopant ayant un effet de diminution de l'indice de 20 réfraction, comme le Fluor. Ce document divulgue également un mode de réalisation avec une fibre dont le coeur est faiblement dopé au Fluor pour compenser un surplus d'oxygène dans le coeur. US-A-5 509 101 divulgue une fibre optique résistante aux rayonnements X et gamma notamment. Cette fibre présente un coeur et une gaine dopés au Fluor. Ce 25 document décrit plusieurs modes de réalisation avec des concentrations de Fluor et de Germanium différentes. Ce document indique que les pertes en transmission sont réduites lorsque la fibre comporte aussi du Germanium dans le coeur. WO-A-2005 109055 divulgue une fibre optique avec un coeur en silice pure et une gaine dopée au Fluor. Ce document indique qu'un rapport élevé, entre 9 et 10, 30 entre les diamètres de la gaine et du coeur améliore la résistance de la fibre aux radiations ionisantes. R:\Brevets \24700\24794-060704-1x1 déposé.doc -2006-07-04 - 9:48 2903501 -3 Les fibres de l'art antérieur présentent une certaine résistance aux radiations ionisantes, mais présentent malgré tout des pertes élevées sous fortes irradiations, notamment au-delà de 400 Gray. Comme indiqué plus haut, on utilise classiquement comme fibre de ligne pour les systèmes de transmission à fibres optiques, des fibres à 5 saut d'indice qui présentent une dispersion chromatique et une pente de dispersion chromatique répondant à des normes de télécommunication spécifiques. Pour des besoins de compatibilité entre systèmes optiques de constructeurs différents, l'union internationale des télécommunications, dont l'acronyme est ITU pour International Telecommunication Union en anglais, a défini un standard avec une norme, 10 référencée ITU-T G.652, à laquelle doit répondre une fibre optique de transmission standard, dite SSMF pour Standard Single Mode Fiber en anglais. Cette norme est subdivisée en quatres sous-normes (A, B, C et D), plus ou moins sévères. Par exemple, la norme G.652B recommande entre autre pour une fibre de transmission la plage [8.6 ;9.5 m] pour la valeur du diamètre de mode, MFD pour 15 Mode Field Diameter en anglais, à la longueur d'onde de 1310nm ; un maximum de 1260nm pour la valeur de la longueur d'onde de coupure en câble ; la plage [1300 ;1324nm] pour la valeur de la longueur d'onde d'annulation de la dispersion, notée Xo ; un maximum de 0.093ps/nm2-km pour la valeur de la pente de dispersion chromatique. La longueur d'onde de coupure en câble est classiquement mesurée 20 comme la longueur d'onde à laquelle le signal optique n'est plus monomode après propagation sur vingt deux mètres de fibre, tel que défini par le sous-comité 86A de la commission électrotechnique internationale dans la norme CEI 60793-1-44. II existe donc un besoin pour une fibre de transmission qui présente des pertes en transmission réduites à haute irradiation. 25 A cet effet, l'invention propose une fibre optique qui présente un profil d'indice uniformément enterré par rapport à celui d'une fibre à saut d'indice standard. Les caractéristiques de transmission de la fibre répondent ainsi sensiblement à la norme G.652B, et présentent une résistance aux radiations à fortes doses (doses supérieures à 100 Gy) améliorée. 30 L'invention concerne ainsi une fibre optique de transmission monomode, comprenant : R: Brevets\24700\24790--060704-txt déposé.doc - 2006-07-04 -9:48 2903501 - 4 - un coeur enterré présentant au moins 0.41wt% de Fluor et une différence d'indice (MI) avec la silice pure supérieure à 1,5.10-3; et - une gaine enterrée présentant au moins 1.2wt% de Fluor, une différence d'indice (M2) avec la silice pure supérieure à 4,5.10-3 et une différence d'indice 5 (On2-One) avec le coeur enterré supérieure ou égale à 3.10-3. Avantageusement, la fibre présente à la longueur d'onde de 1310nm une variation d'atténuation inférieure à 100% pour une irradiation allant de 200 à 30 000 Gray avec un débit supérieur à 1 Gy/s. On peut prévoir que la fibre présente un coeur ne comprenant pas de 10 Germanium. On peut aussi prévoir que le coeur ne comprend pas de Phosphore. Il peut être prévu que la fibre présente un rapport des concentrations en Fluor dans le coeur et dans la gaine supérieur à 3. Il peut être également prévu que la fibre présente les pertes en transmission inférieures à 5 dB/km à 1310 nm sans irradiation ionisante. Avantageusement, les 15 pertes en transmission sont inférieures à 0.35 dB/km à 1310 mn sans irradiation ionisante. On peut aussi prévoir une utilisation d'au moins une portion de fibre selon l'invention dans un système optique de communication situé dans un environnement présentant des radiations ionisantes. 20 Avantageusement, le système optique comprend en outre des portions de fibre monomode standard (SSMF). D'autres caractéristiques et avantages 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 annexés, qui montrent 25 - figure 1, une représentation graphique du profil consigne d'une fibre selon un premier mode de réalisation de l'invention; - figure 2, une représentation graphique du profil consigne d'une fibre selon un deuxième mode de réalisation de l'invention - figure 3, une représentation graphique des pertes en transmission après irradiation 30 de fibres dont l'une est selon un mode de réalisation de l'invention; La fibre de l'invention est une fibre de transmission monomode qui présente un coeur enterré et une gaine enterrée. On entend par coeur enterré, une R:\Brevets\24700\24794-060704-txt déposé.doc - 2006-07-04 - 9:48 2903501 -5 portion centrale radiale de la fibre présentant un indice de réfraction inférieur à l'indice d'une gaine extérieure, généralement consituée de silice pure ou de silice dopée fluor. La gaine enterrée est une portion radiale de la fibre présentant un indice de réfraction inférieur à l'indice de la gaine extérieure et à celui du coeur. Le coeur 5 enterré présente au moins 0,41 de pourcentage en poids (wt%) de Fluor et une différence d'indice avec la silice pure supérieure à 1,5.10-3 (ou 0.1%). La gaine enterrée présente au moins 1,2 wt% de Fluor et une différence d'indice avec la silice pure supérieure à 4,5.10-3 (ou 0.3%). Le rapport des concentrations en Fluor dans le coeur et dans la gaine peut être avantageusement supérieur à 3 pour assurer une 10 différence d'indice suffisante entre le coeur et la gaine optique, le coeur pouvant ne pas être dopé au Germanium ou au Phosphore. La figure 1 illustre un premier exemple de profil d'indice pour une fibre de transmission selon l'invention. Le profil illustré est un profil de consigne, c'est-à-dire représentatif du profil théorique de la fibre, la fibre réellement obtenue après fibrage 15 d'une préforme pouvant présenter un profil sensiblement différent. La fibre de transmission selon l'invention comprend un coeur central présentant une différence d'indice Ml avec la silice pure (parfois utilisée à l'extérieur de la fibre et faisant fonction de gaine optique extérieure) ; une gaine enterrée présentant une différence d'indice Mn2 avec la silice pure. Les indices de 20 réfraction dans le coeur enterré et la gaine enterrée sont sensiblement constants longitudinalement. Ceci procure à la fibre des propriétés uniformes longitudinalement. Le coeur central est représenté avec un rayon a et la gaine enterrée s'étend entre les valeurs radiales a et b. Pour définir un profil d'indice de consigne pour une fibre optique, on prend 25 généralement comme référence la valeur d'indice de la silice pure. Les valeurs d'indice du coeur central et de la gaine enterrée sont alors présentées comme des différences d'indice M1,2. La différence d'indice Ani du coeur central avec la silice est ainsi la différence entre l'indice de la silice et celui du coeur central (Anj=ns;i;ce ù ncœur). La différence d'indice One de la gaine enterrée est ainsi la différence entre 30 l'indice de la silice et celui de la gaine enterrée (An2=nsilice -ngaine enterrée). Il existe généralement une gaine extérieure qui est composée de silice, mais elle peut R:\Brevets\24700\24790--060704-1x1 déposé.doc - 2006-07-04 - 9:48 2903501 -6- également être dopée pour augmenter ou diminuer son indice de réfraction, par exemple pour modifier les caractéristiques de propagation du signal. Selon le premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, le coeur de la fibre contient 0,81 wt% de Fluor mais pas de Germanium, ni de Phosphore ; il 5 présente un rayon a de 4,35 gm et une différence d'indice Ont de 3,0.10-3 avec la gaine extérieure en silice. La gaine contient 2,16 wt% de Fluor et peut ne pas contenir de Germanium, ni de Phospore; elle présente une différence d'indice One de 8,0.10-3 avec la gaine extérieure en silice et un rayon b tel que b/a soit égal à 8 pour que le signal optique reste bien confiné dans le coeur de la fibre. Le dopage au Fluor 10 est de préférence uniforme dans le coeur, respectivement dans la gaine. La gaine extérieure peut être un tube manchonné ou une recharge en grains de silice, ou de la silice pure ou dopée fluor déposée par la méthode VAD (Dépôt Axial par Vaporisation). La figure 2 illustre un deuxième exemple de profil d'indice pour une fibre 15 de transmission selon l'invention, dans lequel le coeur de la fibre contient 0,54 wt% de Fluor et pas de Germanium, ni de Phosphore et la gaine contient 1,9 wt% de Fluor. Le coeur présente un rayon a de 4,35 !am et une réduction d'indice MI de 2,0.103 par rapport à la silice. La gaine présente une réduction d'indice One de 7,0.10-3 par rapport à la silice. Le dopage au Fluor est de préférence uniforme dans le 20 coeur, respectivement dans la gaine. Selon ce deuxième mode de réalisation, la fibre est fabriquée à partir d'une préforme primaire réalisée par dépôts dans un tube dopé au Fluor présentant sensiblement le même indice que la gaine optique enterrée. La gaine extérieure peut alors être un tube manchonné en silice dopée au Fluor ou une recharge en grains de silice dopée au Fluor. Des techniques de fabrication de 25 préformes primaires pour des fibres selon l'invention seront décrites plus loin. La différence d'indice (On2-Ont) de la gaine enterrée avec le coeur enterré est supérieure ou égale à 3.10-3. Ceci améliore les performances de la fibre de l'invention, par exemple en terme de résistance aux courbures ou de longueur d'onde de coupure. 30 De tels profils de fibre permettent de limiter fortement les pertes en transmission de la fibre sous forte dose d'irradiation (supérieure à 100 Gy). R:ABrevets\24700\24796--060704-txf déposé.doc - 2006-07-04 - 9.48 2903501 -7 La figure 3 est une représentation graphique de l'évolution des pertes en transmission induites par irradiation, en fonction de la dose infligée, pour quatre fibres. L'une de ces fibres est selon un mode de réalisation de l'invention. Les mesures ont été effectuées par le Fraunhofer Institute (Appelsgarten 2 - 53879 5 Euskirchen - ALLEMAGNE) en Septembre 2005 et Mars 2006 pour le CERN (1211 Genève 23 - SUISSE). La figure 3 présente les pertes en transmission de quatre fibres : une fibre contenant environ 1 wt% de Germanium dans le coeur (Fibre 1), une fibre contenant environ 6 wt% de Germanium (Fibre 2) , une fibre selon l'invention (Fibre 3), et une 10 fibre à coeur de silice pure (Fibre 4). Le graphe reporte les pertes en transmission de chaque fibre mesurées à une longueur d'onde de 1310 nm pour une irradiation de 104 Gray avec un débit de 0.225 Gray/s et une température de 28 C sur une longueur de fibre de 100 m et avec une puissance de signal optique de 10 à 40 W. On remarque que la fibre de la présente invention (Fibre 3) présente des 15 pertes en transmission bien inférieures à celles des fibres contenant du Germanium dans le coeur (Fibres 1 et 2) ainsi que la fibre avec un coeur en silice pure (Fibre 4), en particulier après des doses supérieures à IOOGy. La fibre selon l'invention présente donc une bonne résistance aux irradiations dans des conditions de fortes doses (doses supérieures à 100 Gy), pour 20 des débits de doses faibles (typiquement de l'ordre de quelques 0.01 Gy/s) mais également élevés (typiquement supérieurs à quelques Gy/s). Par exemple la fibre selon l'invention présente un incrément d'atténuation inférieur à 20 dB/km à 1310nm pour une irradiation de 10 000 Gy effectuée en 1 heure. De plus, elle présente une variation d'incrément d'atténuation inférieure à 100% pour une irradiation allant de 25 200 à 30 000 Gray avec un débit supérieur à 1 Gy/s. La fibre selon l'invention remplit les critères de la norme G.652B. Ainsi, elle peut être facilement utilisée conjointement à des fibres SSMF dans des systèmes de communication optique. La fibre selon l'invention peut être manufacturée de telle sorte que les pertes 30 en transmission sont inférieures à 5 dB/km, voire à 0. 35 dB/km, à 1310 nm sans irradiation ionisante. R:\Brevets\24700\2 4 7 90--060 704-txt déposé.doc - 2006-07-04 - 9:48 2903501 -8 La fibre de transmission selon l'invention peut être fabriquée par fibrage d'une préforme présentant un profil d'indice tel que décrit ci-dessus. De manière connue en soi, une fibre optique est réalisée en étirant une préforme sur une tour de fibrage. Une préforme comprend par exemple une préforme 5 primaire constituée d'un tube de verre de très haute qualité constituant une partie de la gaine et le coeur de la fibre. Cette préforme primaire peut ensuite être 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 10 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 la stabilité des propriétés de la 15 fibre le long de la préforme. En particuler, la stabilité du diamètre assurera une stabilité des propriétés de propagation (longueur d'onde de coupure, diamètres de mode). 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. 20 Le dépôt de composant dans le tube est communément désigné par l'expression dopage , c'est-à-dire que des impuretés sont ajoutées à de la Silice pour modifier son indice de réfraction. Selon l'invention, du Fluor (F) est utilisé pour constituer le coeur et la gaine enterrés de la fibre. Une préforme avec une gaine fortement enterrée est délicate à réaliser. En 25 effet, le Fluor s'incorpore mal dans la silice chauffée au-delà d'une certaine température alors qu'une température élevée est nécessaire à la fabrication du verre. Le compromis entre une température élevée, nécessaire à la fabrication du verre, et une température faible favorisant la bonne incorporation du Fluor ne permet pas d'obtenir des indices très inférieurs à celui de la Silice. 30 Il est proposé de réaliser la préforme de la fibre de l'invention selon une technique de PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition) parce qu'elle permet de réaliser les réactions à des températures plus faibles que les techniques classiques R:\Brevets\24700\24790--060704-1x1 déposé.doc -2006-07-04 - 9:48 2903501 -9 (CVD, VAD, OVD) grâce à une ionisation des composés de réaction. Une telle technique de fabrication est décrite dans les documents US RE 30,635 et US 4,314,833 ; elle permet une incorporation importante de Fluor dans la silice afin de constituer des gaines fortement enterrées. La fibre de la présente invention comprend 5 un coeur, respectivement une gaine fortement enterrés, à savoir présentant une différence d'indice avec la gaine extérieure supérieure à 1,5.10"3, respectivement 4,5.10-3. Un tube de silice, pure ou dopée au Fluor, est fourni et monté dans un tour verrier. Le tube est alors mis en rotation et un mélange gazeux de silice et de dopants 10 est injecté dans le tube. Le tube traverse une cavité micro-onde dans laquelle le mélange gazeux est ionisé. Le chauffage micro-onde engendre un plasma par ionisation des gaz injectés dans le tube et les dopants ionisés réagissent fortement avec les particules de silice pour provoquer le dépôt de couches de silice dopées à l'intérieur du tube. 15 La forte réactivité des dopants engendrée par le chauffage micro-onde, permet d'incorporer une forte concentration de dopants dans les couches de silice. En particulier dans le cas du Fluor, qui s'incorpore mal dans la silice avec un chauffage local au chalumeau, le PCVD permet un dopage d'une couche de silice avec une forte concentration de Fluor pour constituer la gaine enterrée. 20 La fibre de transmission selon l'invention peut être utilisée dans un système optique de communication situé dans un environnement présentant de fortes radiations ionisantes, par exemple un Intranet de laboratoire de physique des particules, une centrale nucléaire ou un satellite exposé au rayonnement cosmique. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation 25 décrits à titre d'exemple. En particulier, une méthode de fabrication autre que le PCVD peut être envisagée. R:\Brevets\24700\24790--060704-txt déposé.doc - 2006-07-04 -9:48 REVENDICATIONS 1. Une fibre optique de transmission monomode, comprenant : - un coeur enterré présentant au moins 0.41wt% de Fluor et une différence 5 d'indice (MI) avec la silice pure supérieure à 1,5.10-3; et - une gaine enterrée présentant au moins 1.2wt% de Fluor, une différence d'indice (Mn2) avec la silice pure supérieure à 4,5.10-3 et une différence d'indice (Mn2-One) avec le coeur enterré supérieure ou égale à 3.10-3. 2. Fibre selon la revendication 1, présentant à la longueur d'onde de 1310nm 10 une variation d'atténuation inférieure à 100% pour une irradiation allant de 200 à 30 000 Gray avec un débit supérieur à 1 Gy/s. 3. Fibre selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le coeur ne comprend pas de Germanium. 4. Fibre selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le coeur ne 15 comprend pas de Phosphore. 5. Fibre selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le rapport des concentrations en Fluor dans le coeur et dans la gaine est supérieur à 3. 6. Fibre selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les pertes en transmission sont inférieures à 5 dB/km à 1310 nm sans irradiation 20 ionisante. 7. Fibre selon la revendication 6, dans laquelle les pertes en transmission sont inférieures à 0.35 dB/km à 1310 nm sans irradiation ionisante. 8. Utilisation d'au moins une portion de fibre selon l'une des revendications précédentes dans un système optique de communication situé dans un 25 environnement présentant des radiations ionisantes. R:\Brevets\24700\24794-060704-fxt déposé.doc - 2006-07-04 - 9:48 2903501 -11- 9. Utilisation selon la revendication 8, le système optique comprenant en outre des portions de fibre monomode standard (SSMF). R\Brevets \24700\24790--060704-1x1 déposé.doc - 2006-07-04 - 9:48