Brevet FR2941541A1 — publié le 20100730

FIBRE OPTIQUE MONOMODE La présente invention concerne le domaine des transmissions par fibre optique, et plus spécifiquement, une fibre de ligne présentant une surface effective 5 élargie. 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 10 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. 15 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 20 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 25 (acronyme de l'anglais "Single Mode Fiber"). Ces fibres présentent une dispersion chromatique et une pente de dispersion chromatique répondant à des normes de télécommunication spécifiques ainsi que des valeurs de longueur d'onde de coupure et de surface effective normalisées. Pour des besoins de compatibilité entre systèmes optiques de constructeurs 30 différents, l'union internationale des télécommunications, dont l'acronyme est ITU pour � International Telecommunication Union � en anglais, a défini un standard R:`,.Brevets` 29700\29732--090126-texte dépôt.doc avec une norme, 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 G.652 recommande entre autre pour une fibre de transmission la plage [8,6 ; 9,5 �m] pour la valeur du diamètre de mode, MFD pour Mode Field Diameter en anglais, à la longueur d'onde de 1310 nm ; un maximum de 1260 nm pour la valeur de la longueur d'onde de coupure en câble ; la plage [1300 ; 1324 nm] pour la valeur de la longueur d'onde d'annulation de la dispersion, notée Xo ; un maximum de 0,092 ps/nm2-km pour la valeur de la pente de dispersion chromatique. La longueur d'onde de coupure en câble est classiquement mesurée 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. De manière connue en soi, une augmentation de la surface effective d'une fibre de transmission contribue à réduire les effets non linéaires dans la fibre. Une fibre de transmission présentant une surface effective élargie permet une transmission sur une distance plus longue et/ou une augmentation des marges de fonctionnement du système de transmission. Typiquement, une SSMF présente une surface effective Aeff de l'ordre de 80 �m2. Pour augmenter la surface effective d'une fibre de transmission, il a été proposé de réaliser des profils de fibres avec un coeur élargi et aplati par rapport à une SSMF. Cependant, une telle modification de la forme du coeur de la fibre conduit à une augmentation des pertes par microcourbures et à une augmentation des longueurs d'onde de coupure effective et en câble sur fibre. La longueur d'onde de coupure effective est classiquement mesurée comme la longueur d'onde à partir de laquelle le signal optique est monomode après propagation sur deux mètres de fibre, tel que défini par le sous-comité 86A de la commission électrotechnique internationale dans la norme CEI 60793-1-44. Le document US-A-6 658 190 décrit une fibre de transmission avec une surface effective élargie, supérieure à 110 1_tm2. Cette fibre présente un coeur très large, 1,5 à 2 fois celui d'une SSMF, et une configuration avec une gaine constante ou légèrement enterrée. Pour compenser l'augmentation des pertes en microcourbures provoquées par une augmentation de la surface effective, ce R:\Brevets\29700\29732--090126-texte dépôt.doc document propose d'augmenter le diamètre de la fibre (figure 29). Une telle augmentation du diamètre de la fibre implique cependant un coût et entraîne des problèmes de câblage par non comptabilité avec les autres fibres. Ce document indique en outre que la longueur d'onde de coupure diminue avec la longueur de la fibre considérée (figure 5) et notamment que la fibre atteint un caractère monomode après 1 km de transmission. Une telle mesure de la longueur d'onde de coupure n'est cependant pas conforme aux mesures normalisées citées plus haut. Les fibres décrites dans ce document présentent des longueurs d'onde de coupure en câble supérieures à 1260 nm et des longueurs d'onde d'annulation de la dispersion chromatique X0 inférieures à 1300 nm. Les fibres de ce document ne sont donc pas conformes aux recommandations de la norme G.652. Le document US-A-6 614 976 décrit une fibre de transmission présentant une grande dispersion chromatique à la longueur d'onde 1550 nm pour compenser la dispersion chromatique négative d'une fibre NZ-DSF (Non Zero - Dispersion Shifted Fiber). La fibre de ce document présente une surface effective supérieure ou égale à 90 �m2. Cependant la forte dispersion recherchée entraîne une longueur d'onde de coupure en câble supérieure à 1260 nm et une longueur d'onde d'annulation de la dispersion chromatique X0 inférieure à 1300 nm. Ces caractéristiques rendent cette fibre non conforme aux recommandations de la norme G.652. Le document US-B-7 187 833 décrit une fibre de transmission présentant une surface effective supérieure à 80 �m2. La fibre de ce document présente un coeur central, une gaine intermédiaire et une tranchée enterrée. Un tel profil peut entraîner l'apparition de modes de fuite dans la fibre qui rendent délicat le contrôle de la longueur d'onde de coupure. Aucun des documents de l'art antérieur identifiés ne décrit une fibre optique présentant une surface élargie par rapport à une SSMF tout en restant totalement compatible avec la norme G.652. II existe donc un besoin pour une fibre de transmission qui présente une surface effective élargie, supérieure à 90 pm-, sans sortir des recommandations de la 30 norme G.652. A cet effet, l'invention propose un profil de fibre comprenant un coeur central, une gaine intermédiaire et un anneau ; chaque zone de la fibre étant R:\Brevets\29700\29732--090126-texte dépôt.doc - 4 optimisée conjointement pour élargir la surface effective de la fibre sans détériorer les autres paramètres de transmission imposés par la norme G. 652. L'invention propose plus particulièrement une fibre optique monomode comprenant un coeur central, une gaine intermédiaire, un anneau et une gaine extérieure, la fibre présentant une surface effective à la longueur d'onde de 1550 nm supérieure ou égale à 90 �m2, avec - une longueur d'onde de coupure en câble inférieure à 1260 nm ; - un diamètre de mode à la longueur d'onde de 1310 nm compris entre 8,6 atm et 9,5 �m ; - une longueur d'onde de l'annulation de la dispersion chromatique comprise entre 1300 nm et 1324 nm ; - une pente de dispersion inférieure à 0,092 ps/nm2-km à la longueur d'onde d'annulation de la dispersion chromatique. Selon les modes de réalisation, la fibre de l'invention peut comprendre en 15 outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le coeur présente un rayon compris entre 4,5 !lm et 6 �m et une différence d'indice avec la gaine extérieure comprise entre 4,2x 10-3 et 5,2x1 0 3. - la gaine intermédiaire présente un rayon compris entre 6,5 �m et 9,5 �m 20 - l'anneau présente un rayon compris entre 9,5 �m et 12,5 pm ; - l'anneau présente une différence d'indice avec la gaine extérieure comprise entre 1 x 10-3 et 5,0x 10-3 ; - la gaine intermédiaire présente une différence d'indice avec la gaine extérieure comprise entre -3,0x 10-3 et 1,0x 10-3 ; 25 - la fibre présente en outre une tranchée enterrée extérieure à l'anneau ; - la tranchée enterrée présente un rayon compris entre 14 �m et 17 �m et une différence d'indice comprise entre -10x 10-3 et -1 x 10-3 ; - la fibre présente un rapport normalisé de la surface effective sur le diamètre de mode supérieur ou égal à 1,270 ; 30 - la fibre présente une surface effective strictement supérieure à 90 �m2 ; - la fibre présente une surface effective inférieure à 100 �m2 ; R:ABrevets\29700\29732--090126-texte dépôt.doc - la fibre présente, pour une longueur d'onde de 1625 nm, des pertes en courbures inférieures ou égales à 0,05 dB/100101, pour un rayon de courbure de 30 mm ; la fibre présente, pour une longueur d'onde de 1550 nm, des pertes en microcourbures telles que le rapport des pertes en microcourbures de la fibre sur des pertes en microcourbures d'une fibre monomode standard soumise à des contraintes identiques est inférieur ou égal à 1,5. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture 10 de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple et en référence aux figures annexées, qui montrent : - 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 15 un deuxième mode de réalisation de l'invention. La fibre de l'invention va être décrite en référence aux figures l et 2 qui représentent des profils de consigne, c'est-à-dire représentatif du profil théorique de la fibre, la fibre réellement obtenue après fibrage d'une préforme pouvant présenter 20 un profil légèrement différent. Selon un premier mode de réalisation (figure 1), la fibre de transmission selon l'invention comprend un coeur central présentant une différence d'indice positive Ont avec une gaine extérieure, faisant fonction de gaine optique, une gaine intérieure intermédiaire présentant une différence d'indice An2 avec la gaine 25 extérieure et un anneau présentant une différence d'indice positive An3 avec la gaine extérieure. Les indices de réfraction dans le coeur central, dans la gaine intermédiaire et dans la gaine enterrée sont sensiblement constants sur toutes leurs largeurs. On définit la largeur du coeur par son rayon ri et la largeur de la gaine et de l'anneau par leurs rayons extérieurs respectifs, r2 et r3. La gaine intermédiaire (r2, An2) entoure 30 directement le coeur central (ri, Ant) et l'anneau (r3, An3) entoure directement la gaine intermédiaire (r2, An2). Typiquement, le coeur central, la gaine intermédiaire et l'anneau sont obtenus par dépôt de type CVD dans un tube de silice et la gaine R: ABrevets\29700\29732--090126-texte dépôt.doc 2941541 -6 extérieure est constituée par la recharge du tube généralement en silice naturelle ou dopée, mais peut également être obtenue par toute autre technique de dépôt (VAD ou OVD). Selon un deuxième mode de réalisation (figure 2), la fibre de transmission 5 selon l'invention comprend en outre une tranchée enterrée directement à l'extérieur de l'anneau (r3, An3) présentant une différence d'indice négative An4 avec la gaine extérieure. La largeur de la tranchée enterrée est définie par son rayon extérieur r4. Dans la fibre selon l'invention le coeur central présente un rayon ri compris entre 4,5 �m et 6 �m, et une différence d'indice Ani comprise entre 4,2x10-3 et 5,2X103 par rapport à la gaine optique extérieure (en silice par exemple). Le coeur de la fibre selon l'invention est donc légèrement plus large et plus aplati que dans une SSMF. Ces caractéristiques permettent d'augmenter la valeur de la surface effective au-delà de 90 pm2 pour une longueur d'onde de 1550 nm. La gaine intermédiaire de la fibre selon l'invention présente un rayon r2 compris entre 6,5 pm et 9,5 �m. Cette gaine présente également une différence d'indice An2 avec la gaine extérieure comprise entre -3x 10-3 et 1,0x 10-3. La fibre selon l'invention comprend aussi un anneau de rayon r3 compris entre 9,5 pm et 12,5 �m. Cet anneau présente une différence d'indice An3 avec la gaine extérieure comprise entre 1,0x 10-3 et 5,0x 10-3. Les dimensions de l'anneau, optimisées avec celles du coeur et de la gaine intermédiaire, permettent de contrôler les caractéristiques optiques de la fibre et notamment de conserver une valeur de diamètre de mode pour une longueur d'onde de 1310 nm comprise entre 8,6 �m et 9,5 �m, tout en assurant une surface effective supérieure à 90 �m2 à 1550nm, et de conserver les caractéristiques dispersives et de coupure dans les intervalles imposés par la norme G652. La fibre selon l'invention peut en outre présenter une tranchée enterrée avec un rayon r4 compris entre 14 pm et 17 �m, et une différence d'indice An4 comprise entre -10x 103 et -1 x10-'. La présence d'une tranchée permet de confiner davantage le signal dans le coeur de la fibre. On choisit un rayon extérieur r4 limité à 17 �m afin de limiter le coût de fabrication de la fibre. Le tableau I ci-dessous donne six exemples de profils d'indice possibles pour une fibre de transmission selon l'invention par comparaison avec une fibre standard SSMF ayant un profil d'indice en � échelon �. La première colonne attribue R:\Brevets\29700\29732--090126-texte dépôt.doc 2941541 -7 une référence à chaque profil. Les colonnes suivantes donnent les valeurs des rayons de chaque section (ri à r4) et les colonnes suivantes donnent les valeurs des différences d'indice de chaque section avec la gaine extérieure (Ani à An4). Les valeurs d'indices sont mesurées à la longueur d'onde de 633 nm. Les fibres des 5 exemples du tableau I ont un diamètre extérieur de 125 �m. Les valeurs du tableau I correspondent à des profils de consigne de fibres. TABLEAU I Exemple r, (�m) r2 (�m) r3 (�m) r4 (�m) Ani An2 Ana An4 (.10 3) (.10 3) (.10 3) (.10 3) SSMF 4,35 5,2 1 4,8 7,59 9,86 5,0 -0,6 2,0 2 4,73 7,90 9,79 5,0 -0,4 2,3 3 5,10 7,00 9,67 4,9 -2,5 2,2 4 5,00 8,47 11,16 15,7 4,7 -1,7 4,0 -3,0 5 4,85 8,82 12,00 15,6 4,8 -1,0 3,0 -3,4 6 4,97 8,19 11,82 15,5 4,7 -1,4 2,6 -3,0 10 Le tableau II qui suit illustre des caractéristiques optiques simulées pour les fibres de transmission correspondant aux profils d'indice du tableau I. Dans le tableau II, la première colonne reprend les références du tableau I. Les colonnes suivantes fournissent, pour chaque profil de fibre, les valeurs de longueur d'onde de coupure en câble X 7 de diamètre de mode 2W02 pour la longueur d'onde de 1310 15 nm, de surface effective Aeff à la longueur d'onde de 1550 nm, du rapport normalisé de la surface effective à 1550 nm sur le diamètre de mode à 1310 nm, de dispersion chromatique D à la longueur d'onde de 1550 nm, et de pente P de la dispersion chromatique à la longueur d'onde de 1550 nm. Les colonnes suivantes fournissent, pour chaque profil de fibre, les valeurs de la longueur d'onde d'annulation de la 20 dispersion chromatique ZDW, de pente de la dispersion chromatique à cette longueur d'onde, et de pertes en courbures PC à la longueur d'onde de 1625 nm pour un rayon de courbure de 30 mm. R:`Brevets\29700\29732--090126-texte dépôt.doc TABLEAU II Exemple Xec 2W02 Aeff Aeff[1550nm]/ D P ZDW PzDw PC (nm) @ @ n(Wo2[ 1310nm])2 @ @ (nm) @ R=30 mm 1310 nm 1550 nm 1550nm 1550nm ZDW @1625 nm (�m) (�m2) (ps/nm- (ps/nm2 (ps/nm2 (dB/100 tours) km) -km) -km) SSMF 1240 9,2 82 1,21 16,8 0,058 1315 0,086 exemple, par une méthode dite du touret à diamètre fixe. Cette méthode est décrite dans la recommandation technique de la commission électrotechnique internationale du sous-comité 86A sous la référence CEI TR-62221. La fibre selon l'invention présente une valeur de surface effective 5 augmentée par rapport à une SSMF. La surface effective reste cependant inférieure à 100 pm2. Cette limite garantit que l'ensemble des critères de la norme G.652 soit bien respecté. Le profil de la fibre selon l'invention est optimisé pour répondre à ces contraintes d'une surface effective élevée et de paramètres optiques respectant la 10 norme G.652. Les tableaux I et II illustrent bien les valeurs limites de rayon et d'indice mentionnées plus haut pour garantir une surface effective élevée et le respect des contraintes de la norme G.652. Notamment, si le rayon du coeur ri devient inférieur à 4,5 pm et si Ani devient supérieur à 5,5, la surface effective sera inférieure à 90 �m2. Si ri devient supérieur à 6 �m, alors le diamètre de mode 2W02, 15 la longueur d'onde de coupure en câble a,cc et la longueur d'onde d'annulation de la dispersion chromatique ZDW présenteront des valeurs hors de la norme G.652. De même si r2 est trop petit, le diamètre de mode 2W02 sera alors supérieur à la valeur maximale 9,5 �m imposée par la norme G.652 ; et si r2 devient trop grand, la surface effective sera inférieure à 90 �m2. D'autre part, si r3 devient trop petit, la surface 20 effective sera alors inférieure à 90 �m2 ; et si r3 devient trop grand, alors le diamètre de mode 2W02 devient supérieur à la valeur maximale 9,5 �m imposée par la norme G.652, ainsi que la valeur de la longueur d'onde de coupure en câbles. La fibre de transmission selon l'invention est particulièrement adaptée à des systèmes de transmission longue distance dans la bande C. L'augmentation de la surface effective, sans dégradation notable des autres paramètres optiques de la fibre, permet d'augmenter la puissance des signaux optiques transmis sans augmenter les effets non linéaires ; on améliore alors le rapport signal à bruit de la ligne de transmission ce qui est particulièrement recherché dans les systèmes de transmission optique longue distance terrestres ou sous-marins. En outre, la fibre selon l'invention respecte les recommandations de la norme ITU-T G.652. La fibre selon l'invention peut ainsi être installée dans de R:\Brevets\29700\29732--090126-texte dépôt.doc 2941541 -10- nombreux système de transmission avec une bonne compatibilité avec les autres fibres du système. R:\Brevets\29700\29732--090126-texte dépôt.doc REVENDICATIONS1. Une fibre optique monomode comprenant : - un coeur central présentant un rayon (ri) et une différence d'indice positive (Ani) avec une gaine optique extérieure; - une gaine intermédiaire présentant un rayon (r2) et une différence d'indice (An2) avec la gaine extérieure; - un anneau présentant un rayon (r3) et une différence d'indice positive (An3) avec la gaine extérieure; la fibre présentant une surface effective à la longueur d'onde de 1550 nm supérieure ou égale à 90 �m2, avec - une longueur d'onde de coupure en câble (?.cc) inférieure à 1260 nm ; - un diamètre de mode à la longueur d'onde de 1310 nm compris entre 8,6 �m et 9,5 tm ; - une longueur d'onde de l'annulation de la dispersion chromatique comprise entre 1300 nm et 1324 nm ; - une pente de dispersion inférieure à 0,092 ps/nm2-km à la longueur d'onde d'annulation de la dispersion chromatique. 2. La fibre de la revendication 1, dans laquelle le coeur central présente un rayon (ri) compris entre 4,5 �m et 6�m. 3. La fibre de la revendication 1 ou 2, dans laquelle le coeur central présente une différence d'indice (Ani) avec la gaine extérieure comprise entre 4,2x 10-3 et 5,2x 10-3. 4. La fibre l'une des revendications précédentes, dans laquelle la gaine intermédiaire présente un rayon (r2) compris entre 6,5 .tm et 9,5 �m. 5. La fibre de l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'anneau présente un rayon (r3) compris entre 9,5 pm et 12,5 �m. R:\Brevets`.29700\29732--090126-texte dépôt.doc 2941541 -12- 6. La fibre de l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'anneau présente une différence d'indice (4n3) avec la gaine extérieure comprise entre 1 x 10-3 et 5,0x 103. 7. La fibre de l'une des revendications précédentes, dans laquelle la gaine 5 intermédiaire présente une différence d'indice (An2) avec la gaine extérieure comprise entre -3,0x 10"3 et 1,0x 10-3. 8. La fibre de l'une des revendications précédentes, présentant en outre une tranchée enterrée (r4, An4) extérieure à l'anneau présentant une différence d'indice négative (An4) avec la gaine extérieure. 10 9. La fibre de la revendication 8, dans laquelle la tranchée enterrée présente un rayon (r4) compris entre 14 �m et 17 �m. 10. La fibre de la revendication 8 ou 9, dans laquelle la tranchée enterrée présente différence d'indice (An4) avec la gaine extérieure comprise entre - Dax 10-3 et -1 x 103. 15 11. La fibre de l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente un rapport normalisé de la surface effective sur le diamètre de mode supérieur ou égal à 1,270. 12. La fibre de l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente une surface effective strictement supérieure à 90 �m2. 20 13. La fibre de l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente une surface effective inférieure à 100 1.tm2. 14. La fibre de l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente, pour une longueur d'onde de 1625 nm, des pertes en courbures inférieures ou égales à 0,05 dB/100,0u,, pour un rayon de courbure de 30 25 mm. R:\Brevets\\29700\29732--090126-texte dépôt.doc 2941541 -13- 15. La fibre de l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente, pour une longueur d'onde de 1550 nm, des pertes en microcourbures telles que le rapport des pertes en microcourbures de la fibre sur des pertes en microcourbures d'une fibre monomode standard (SSMF) 5 soumise à des contraintes identiques est inférieur ou égal à 1,5. R:\Brevets\29700\29732--090126-texte dépôt.doc