Brevet FR2922657A1 — publié le 20090424

-1- FIBRE MULTIMODE La présente invention concerne le domaine des transmissions par fibre optique, et plus spécifiquement, une fibre optique multimode. Les fibres multimodes sont en particulier utilisées pour les systèmes de transmission optique sur courte distance nécessitant une large bande passante. 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 ng sont tels que ne>ng. Pour des applications courtes distances et pour les réseaux locaux, les fibres multimode sont couramment utilisées. Le coeur d'une fibre multimode présente généralement un diamètre d'environ 50 �m, contre environ 6 �m pour le coeur d'une fibre monomode. Ainsi, pour une longueur d'onde donnée, plusieurs modes optiques se propagent simultanément le long de la fibre, véhiculant la même information. La bande passante est directement liée au temps de groupe des modes optiques se propageant dans le coeur multimode de la fibre. Afin de garantir une large bande passante, il est nécessaire que les temps de groupe de tous les modes soient identiques, c'est-à-dire que la dispersion intermodale soit nulle ou tout au moins minimisée, pour une longueur d'onde donnée. Les fibres multimode ont fait l'objet d'une standardisation internationale sous la norme ITU-T G.651 qui définit notamment des critères de bandes passantes, d'ouverture numérique, de diamètre de coeur, pour des besoins de compatibilité entre fibres. 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", en "triangle" ou "alpha" pour des graphes qui présentent des formes respectives d'échelon, de trapèze, de triangle ou en gradient. Ces courbes sont généralement représentatives du profil théorique ou de consigne de la fibre, les R:113revets126700126724--071022-texte depot.doc - 2007-10-19 - 10:58 -2-contraintes de fabrication de la fibre pouvant conduire à un profil sensiblement différent. Dans une fibre à saut d'indice, les différents modes se propagent à des vitesses différentes le long de la fibre, ce qui provoque un étalement de l'impulsion lumineuse qui peut devenir comparable à l'espacement entre les impulsions et induire un taux d'erreur inacceptable. Pour diminuer la dispersion intermodale dans une fibre multimode, il a été proposé de réaliser des fibres à gradient d'indice avec un profil de coeur en "alpha". Une telle fibre est utilisée depuis de nombreuses années et ses caractéristiques ont notamment été décrites dans les publications � Multimode theory of graded-core fibres � de D.Gloge et al., Bell system Technical Journal 1973, pp 1563-1578, et � Comprehensive theory of dispersion in graded-index optical fibers � de G. Yabre, Journal of Lightwave Technology, février 2000, Vol. 18, N° 2, pp 166-177. Un profil à gradient d'indice peut être défini par une relation entre la valeur n 15 de l'indice en un point en fonction de la distance r de ce point au centre de la fibre : /Y a n=n, 1ù2A a avec a 1 ; (a ù> .0 correspondant à un saut d'indice) ; ni, l'indice maximal du coeur multimode ; a, le rayon du coeur multimode ; et (n2 ù no z 20 - 2n où no est l'indice minimal du coeur multimode correspondant généralement à l'indice de la gaine (le plus souvent en silice). Une fibre multimode à gradient d'indice présente donc un profil de coeur avec une symétrie de révolution et tel que le long de toute direction radiale la valeur de 25 l'indice décroît continûment du centre de la fibre vers sa périphérie. Lorsqu'un signal lumineux multimode se propage dans un tel coeur à gradient d'indice, les différents modes voient un milieu de propagation différent, ce qui affecte différemment leur vitesse de propagation. Par un ajustement de la valeur du R:\Brevets\26700\26724--071022-texte depot.doc - 2007-10-19 - 10:58 -3 paramètre a, il est ainsi possible d'obtenir une vitesse de groupe quasiment égale pour tous les modes et donc une dispersion intermodale réduite. Cet ajustement du paramètre a permet théoriquement d'obtenir une vitesse de groupe quasiment égale pour tous les modes mais le profil de la fibre multimode réellement réalisée comprend un coeur central à gradient d'indice entouré d'une gaine extérieure d'indice constant. Ainsi le coeur de la fibre multimode ne correspond jamais à un profil alpha parfait puisque l'interface avec la gaine extérieure interrompt ce profil alpha. Les modes d'ordre les plus élevés seront donc accélérés par rapport aux modes d'ordre inférieur et la bande passante en sera nécessairement réduite. Ce phénomène, connu sous l'expression � effet de gaine �, est visible lors des mesures de retard de dispersion modale qui montrent des impulsions réponses multiples lorsque les modes d'ordres les plus élevés sont majoritairement excités. Ce problème a déjà été identifié. Pour résoudre ce problème, il a été proposé d'introduire une gaine intermédiaire enterrée entre le coeur à gradient d'indice et la gaine extérieure. Le profil alpha du coeur est ainsi prolongé dans une gaine enterrée. Une telle solution est notamment décrite dans le document WO-A-2006/010798 où le coeur est réalisé par un dopage Germanium contrôlé et la gaine enterrée est obtenue par dopage au Fluor. Une telle solution nécessite un contrôle parfait des concentrations de dopants pour garantir une continuité du profil alpha, notamment à la transition coeur ù gaine enterrée. En pratique, il est quasiment impossible d'assurer une continuité des pentes des profils d'indice du coeur (dopé au Germanium) et de la gaine enterrée (dopée au Fluor). Cette rupture de pente dans le profil alpha provoque des perturbations dans la transmission des modes d'ordre les plus élevés et par conséquent une réduction de la bande passante. Le document US-A-4 339 174 décrit une fibre multimode avec un coeur ayant un profil à gradient d'indice avec un point de rupture. Un tel point de rupture peut cependant créer des perturbations dans une transmission très haut débit. Les documents US-A-4 229 070 et US-A-4 230 396 décrivent des fibres multimode ayant des profils obtenus par codopage dans le coeur et dans la gaine enterrée entourant le coeur. R:\Brevets\26700\26724--071022-texte depot.doc - 2007-10-19 - 10:58 Pour des applications à des réseaux de transmission Ethernet à hauts débits sur grandes distances, notamment pour des débits supérieurs ou égaux à 10 GbE (10 Gb/s) sur plus de 300 m (respectivement 550m), il est nécessaire de garantir une bande passante effective supérieure ou égale à 2000 MHz-km (respectivement 4700 MHz-km). La norme TIA-492AAAC-A normalise les performances requises pour les fibres multimodes haut débit de diamètre 50 �m. Dans le cas de fibres multimodes, la bande passante dépend de la source employée. La bande passante effective ( désignée par l'acronyme EMB pour Effective Modal Bandwidth en anglais) correspond à la plus petite bande passante sur l'ensemble des EMB des couples Source û fibre pour toutes les sources standardisées pour les applications IOGbE. Afin d'atteindre les performances imposées la normes, il est nécessaire de supprimer toute rupture de pente du profil alpha qui pourrait se situer à l'interface entre le coeur et la gaine enterrée. Il existe donc un besoin pour une fibre multimode qui présente un coeur à 15 gradient d'indice avec un profil alpha qui se prolonge dans une gaine enterrée sans rupture de pente dans le profil. A cet effet, l'invention propose de réaliser l'ensemble du profil alpha par codopage d'au moins deux dopants. Un dopant augmentant l'indice de réfraction de la silice, par exemple du Germanium, est prédominant dans le coeur et un dopant 20 diminuant l'indice de réfraction de la silice, par exemple du Fluor, est prédominant dans la gaine enterrée. La concentration de chaque dopant est contrôlée de manière à présenter une variation et une dérivée continues par rapport au rayon de la fibre. Dans le cadre de la présente invention, on entend l'expression � variation continue � par opposition à une variation discrète, c'est-à- dire que les concentrations de chaque 25 dopant sont contrôlées de manière à éviter tout saut perceptible de valeur. Cette continuité de la variation et de la pente assure une continuité du profil alpha et limite la dispersion modale dans la fibre multimode. L'invention concerne ainsi une fibre optique multimode comprenant : - un coeur central ayant un profil alpha; 30 - une gaine enterrée présentant une portion en continuité avec le profil alpha du coeur central et une portion en échelon; - une gaine extérieure; R:\Brevets\26700\26724--071022-texte depol.doc - 2007-10-19 -10:58 - 5 dans laquelle le profil alpha est obtenu par codopage d'au moins deux dopants, la variation de la concentration de chaque dopant et sa dérivée en fonction du rayon de la fibre étant continues. Selon un mode de réalisation, au moins un dopant du profil alpha est un dopant 5 augmentant l'indice de réfraction de la silice, la concentration dudit dopant étant nulle dans la portion en échelon de la gaine enterrée. Selon un mode de réalisation, la portion en échelon de la gaine enterrée présente une largeur inférieure ou égale à 2 �m ; cette portion en échelon de la gaine enterrée peut présenter une différence d'indice avec la gaine extérieure supérieure ou 10 égale à 5.10-3. Selon un mode de réalisation, les dopants du profil alpha comprennent du Germanium et du Fluor. Selon une application, la fibre présente un diamètre de coeur central de 50 tm et une ouverture numérique égale à 0,2 �0.015. 15 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 - figure 1, une représentation graphique du profil d'indice de consigne d'une fibre 20 multimode selon l'invention ; - figure 2, une représentation graphique des concentrations en Germanium et en Fluor pour une fibre multimode selon l'art antérieur ; - figure 3, une représentation graphique des concentrations en Germanium et en Fluor pour une fibre multimode selon l'invention ; 25 - figure 4, un graphe illustrant la différence entre les profils d'indice d'une fibre selon l'art antérieur et selon l'invention respectivement avec un profil alpha idéal. La fibre de l'invention est une fibre de transmission multimode. Elle présente 30 un profil d'indice tel qu'illustré sur la figure 1. Elle présente un coeur central ayant un profil en gradient d'indice qui se prolonge dans une gaine enterrée. Le coeur a un rayon normalisé de 25 �m. Dans le contexte de la présente invention, on entend par R:\Brevets\26700\26724--071022-texte depot.doc - 2007-10-19 - 1058 -6 � coeur central � de la fibre la zone dans laquelle la majeure partie de l'énergie du signal optique est confinée, c'est-à-dire la zone pour laquelle l'indice de réfraction n est supérieur à l'indice de réfraction de la gaine extérieure n>ng. La gaine extérieure est typiquement en silice naturelle pour des raisons de coût, mais elle peut également être en silice dopée. La gaine enterrée présente ainsi une portion en continuité avec le profil alpha du coeur et une portion en échelon à indice constant inférieur à l'indice de la gaine extérieure. On entend par gaine enterrée la portion radiale de fibre ayant une valeur d'indice inférieure à l'indice de réfraction de la gaine extérieure ng. La fibre selon l'invention présente donc un coeur ayant un profil alpha mais ce profil alpha déborde du coeur stricto sensu puisqu'il se prolonge dans la gaine enterrée. La valeur du coefficient alpha du profil à gradient d'indice est ajustée selon l'application à laquelle la fibre multimode est destinée. Sur le profil de la figure 1, alpha est compris entre 2.1 et 2 à la longueur d'onde de 633 nm. Comme cela est bien connu de l'homme de l'art, le profil alpha théorique n'est jamais atteint sur un profil réel pour une fibre optique fabriquée. En effet, aucun procédé de dépôt ne permet une précision suffisant pour que le profil réel de la fibre fabriquée présente la forme du profil alpha théorique et aucun n'appareil de mesure de profil ne présente à ce jour la précision requise pour donner une valeur exacte de alpha. On peut se référer à la publication de P. Matthijsse et al. � On the Design of Wide Bandwidth Window Multimode Fibers � pour la détermination d'une valeur optimale de alpha en fonction de la longueur d'onde. La fibre selon l'invention est compatible avec la norme G.651. Elle présente un diamètre de coeur de 50 �m, une ouverture numérique de 0.2 � 0.015 et une bande passante supérieure à 2000 MHz-km (respectivement 4700 MHz-km) avec une dispersion modale inférieure à 0.3ps/m (respectivement 0.14 ps/m). Le profil de la figure 1 pourrait être obtenu par les concentrations de dopage illustrées sur la figure 2 qui ne fait pas partie de l'invention. Sur la figure 2, le coeur central est obtenu par dopage contrôlé au Germanium, la concentration de Germanium (trait noir) devenant nulle à l'interface avec la gaine enterrée. La gaine enterrée est obtenue par dopage contrôlé au Fluor (trait gris), la concentration de Fluor étant nulle dans le coeur. R:\Brevets\26700\26724--071022-texte depot.doc - 2007-10-19 - 10:58 -7-Comme exposé plus haut, un tel changement de dopant à l'interface coeur -gaine enterrée est difficile à contrôler et ne permet pas de garantir une continuité du profil alpha, ce qui provoque des perturbations dans la transmission du signal et réduit la largeur de la bande passante utilisable dans la fibre multimode. L'invention propose donc, comme illustré sur la figure 3, de réaliser un codopage de l'ensemble du profil alpha. Le coeur central contient donc du Germanium (trait noir) et du Fluor (trait gris) en concentrations contrôlée pour atteindre le profil de consigne et la portion de gaine enterrée prolongeant le profil alpha contient également du Germanium et du Fluor. En revanche, la portion de gaine enterrée en échelon, entourant le profil alpha, ne contient pas de Germanium. La portion en échelon de la gaine enterrée n'est donc dopée qu'au Fluor ce qui limite le coût de fabrication de la fibre. La portion de la gaine enterrée en échelon présente une différence d'indice constant avec la gaine extérieure supérieure ou égale à 5.10.3 pour bien limiter l'effet de gaine sur les mode d'ordre les plus élevés. Cette portion de gaine enterrée en échelon est en outre relativement étroite, d'une largeur inférieure ou égale à 2�m, afin de permettre une portion en continuité avec le profil alpha la plus grande possible sans modifier le diamètre extérieur de la fibre qui est normalisé. La fibre selon l'invention peut être fabriquée par fibrage d'une préforme réalisée selon une technique de PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition) qui permet une bonne incorporation du Fluor dans la silice. L'absence de Germanium dans la portion de gaine enterrée en échelon permet de limiter la quantité de Fluor à incorporer et de réduire les coûts de fabrication. On constate sur la figure 3 que sur l'ensemble du profil alpha, la variation de concentration de chaque dopant ainsi que la dérivée de cette variation sont continues. Toute rupture de pente du profil alpha peut ainsi être évitée à l'interface entre le coeur et la gaine enterrée et toute discontinuité dans le profil alpha est ainsi limitée. Un profil se rapprochant davantage du profil alpha idéal peut ainsi être réalisé. La figure 4 illustre la différence entre l'indice théorique et les profils d'indice respectivement pour une fibre multimode sans codopage (trait gris) et une fibre multimode selon l'invention avec codopage (trait noir). On remarque que le profil de R:\Brevets\26700\26724--071022-texte depot.doc - 2007-10-19 - 10:58 5 10 la fibre selon l'invention se rapproche davantage du profil idéal et notamment que la discontinuité à l'interface coeur ù gaine enterrée est éliminée. La fibre multimode selon l'invention peut être utilisée dans un système optique Ethernet avec une bande passante améliorée. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits à titre d'exemple. En particulier, des dopants autres que le Germanium et le Fluor peuvent être utilisés tant que le profil de consigne est respecté et que la variation et la dérivée de la variation des concentrations de dopants sont continues. R:\Brevets126700126724--071022-texte depot.doc - 2007-10-19 - 10:58 REVENDICATIONS 1. Une fibre optique multimode, comprenant : - un coeur central ayant un profil alpha; - une gaine enterrée présentant une portion en continuité avec le profil alpha du coeur central et une portion en échelon; - une gaine extérieure; dans laquelle le profil alpha est obtenu par codopage d'au moins deux dopants, la variation de la concentration de chaque dopant et sa dérivée en fonction du rayon de la fibre étant continues. 2. La fibre de la revendication 1, dans laquelle au moins un dopant du profil alpha est un dopant augmentant l'indice de réfraction de la silice, la concentration dudit dopant étant nulle dans la portion en échelon de la gaine enterrée. 3. La fibre de la revendication 1 ou 2, dans laquelle la portion en échelon de la gaine enterrée présente une largeur inférieure ou égale à 2 �m. 4. La fibre de l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la portion en échelon de la gaine enterrée présente une différence d'indice avec la gaine extérieure supérieure ou égale à 5.10-3. 5. La fibre de l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle les dopants du profil alpha comprennent du Germanium et du Fluor. 6. La fibre de l'une des revendications 1 à 5, présentant un diamètre de coeur central de 50 }tm. 7. La fibre de l'une des revendications 1 à 6, présentant une ouverture numérique égale à 0,2 �0.015. R:\Brevets\26700\26724--071022-texte depot.doc - 2007-10-19 - 10:58