Brevet FR2962814A1 — publié le 20120120

Procédé d'épissure de fibres optiques et jonction obtenue par un tel procédé. DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé d'épissure de fibres optiques et une jonction de fibres optiques obtenue par un tel procédé. TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les fibres optiques sont des filaments de matériau transparent, comme du verre, qui permettent de transporter de la lumière le long de leur direction principale. Elles sont utilisées en particulier dans les télécommunications pour transporter des signaux modulés sur de très longues distances. Les fibres optiques comportent un coeur d'un indice de réfraction optique prédéterminé entouré d'une gaine d'un indice de réfraction inférieur. La lumière dans le coeur se réfléchit sur la surface séparant le coeur de la gaine et reste ainsi confinée dans le coeur. Il est nécessaire de pouvoir raccorder deux fibres optiques afin d'assurer la continuité optique de ce guide d'une fibre à l'autre avec une perte la plus faible possible. On connaît une technique de soudure pour raccorder des fibres optiques. Les fibres sont d'abord préparées en clivant et/ou en polissant les extrémités à raccorder. Puis les fibres sont alignées extrémité contre extrémité. Un apport de chaleur fait fondre le matériau qui se soude sans apport de matière. La chaleur est apportée par exemple par un arc électrique. Cette technique est largement utilisée puisqu'elle permet d'obtenir une jonction avec de faibles pertes dans la transmission du signal, de l'ordre de 0,02 à 0,04 dB. Cependant, il est nécessaire de préparer très soigneusement les extrémités de fibres afin que leur face 2 soit bien plane et perpendiculaire à l'axe de la fibre. De plus, il est nécessaire de positionner très précisément les fibres l'une au bout de l'autre. Ceci nécessite un matériel onéreux et délicat à mettre en oeuvre. D'autres procédés d'épissure ont été proposés. Le principe de ces procédés est un maintien mécanique des fibres l'une en regard de l'autre. Un support comporte une rainure, par exemple une rainure en vé, et les fibres sont pincées sur le support pour être maintenues en place. Cependant, la lumière qui sort à une extrémité d'une fibre est divergente. La proportion de lumière qui est captée par la fibre en regard faiblit rapidement en fonction de l'espace entre les extrémités des fibres. Ici aussi, il est important que les faces d'extrémités soient de bonne qualité. De plus, le positionnement relatif des fibres doit être soigné pour ne pas subir de fortes pertes. Dans des versions perfectionnées, un gel de même indice de réfraction optique que le coeur de la fibre est ajouté dans l'espace entre les fibres. On constate couramment qu'il n'est pas possible d'obtenir de manière fiable des pertes de moins de 0,1 à 0,2 dB, ce qui est considéré comme trop important dans un certain nombre d'applications. Le document WO 86/03599 montre par exemple un procédé de ce type. Les fibres sont placées parallèlement l'une à l'autre et font face à un miroir qui renvoie la lumière en provenance d'une fibre en la focalisant sur l'extrémité de l'autre fibre. Dans le document W003/012504, il est également proposé de placer une composition polymérisée dans l'interstice entre deux fibres optiques. Cette jonction est également très sensible au réglage de la largeur de l'interstice. Le document US 4,666,236-A montre un procédé de raccordement de fibres optiques entre elles ou avec une photodiode laser. Une composition photopolymérisable est placée entre les composants à raccorder, et la composition est soumise à un éclairement par le composant. La polymérisation se fait uniquement dans la zone éclairée. Cependant, par cette méthode, le guide reconstitué est divergent et présente les mêmes pertes qu'avec un procédé avec une composition non polymérisée. OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention vise à fournir un procédé d'épissure de fibres optiques qui soit simple à mettre en oeuvre, fiable, peu coûteux et dont la jonction réalisée présente de faibles pertes. EXPOSÉ DE L'INVENTION Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé d'épissure de deux fibres optiques selon lequel on procède aux étapes suivantes : on aligne les deux fibres avec une de leurs extrémités en vis-à-vis l'une de l'autre, on place une composition photopolymérisable dans l'interstice entre les deux extrémités, la composition ayant un indice de réfraction optique plus grand lorsqu'elle est polymérisée, on fournit de la lumière à la composition par au moins l'une des fibres pour former un pont de matière polymérisée entre les extrémités des deux fibres, caractérisé en ce que la composition a un seuil de polymérisation pour l'énergie lumineuse fournie au-delà duquel la polymérisation s'amorce. On constate qu'avec une telle composition, le pont qui est constitué entre les extrémités des fibres ne diverge pas, mais reste sensiblement cylindrique. De ce fait, les pertes constatées lors de la transmission de la lumière par la jonction sont très faibles et d'un niveau acceptable. Les inventeurs expliquent ce phénomène de la façon suivante : Le faisceau de lumière qui sort de l'extrémité 4 d'une fibre a une répartition gaussienne de l'énergie, centrée sur le centre du coeur de la fibre, c'est-à-dire qu'elle est plus forte au centre que sur les bords. Pendant la phase d'éclairement, une partie polymérisée commence à se construire à partir du centre du coeur de la fibre source de lumière, c'est-à-dire dans une zone qui a reçu suffisamment d'énergie pour dépasser le seuil de polymérisation et donc pour que la polymérisation commence. L'intensité du faisceau incident et le temps d'exposition sont tels que le seuil de polymérisation peut ne pas être atteint dans toute la zone éclairée par le faisceau. Il est atteint d'abord au plus près de l'extrémité de la fibre, puisque le faisceau est divergent, et dans l'axe du coeur. La zone en cours de formation a la forme d'une pointe en symétrie de révolution et se distingue assez nettement de la zone non polymérisée. Comme l'indice de réfraction de la zone polymérisée est plus élevé que celui de la composition avant polymérisation, la zone en formation forme un guide optique qui concentre la lumière à l'extrémité de la pointe. La croissance de cette pointe se poursuit jusqu'à atteindre l'extrémité de l'autre fibre, de manière à former entre les coeurs des fibres un pont de forme sensiblement cylindrique. L'existence d'un seuil de polymérisation permet qu'une zone non polymérisée subsiste autour de la pointe et dans laquelle l'indice de réfraction n'évolue pas pour former une guide optique avec la pointe. Quand le guide optique a commencé à se former, la zone périphérique au guide ne reçoit plus de lumière et ne peut donc pas atteindre le seuil de polymérisation. On constate que le procédé est tolérant vis-à-vis de la qualité de surface des extrémités, à tel point qu'une simple cassure à l'aide d'une pince coupante est suffisante comme préparation de la fibre. L'existence d'un seuil de polymérisation s'explique en particulier par la présence d'oxygène dissous dans la composition. En effet, les radicaux excités par la lumière réagissent prioritairement avec l'oxygène. Lorsque tout l'oxygène est consommé, les radicaux excités 5 réagissent avec le monomère pour former une chaîne polymère. L'oxygène joue donc un rôle de neutralisation de la formation du polymère, et c'est quand le seuil de consommation de l'oxygène est dépassé que la polymérisation peut commencer. L'oxygène dissous provient de l'atmosphère et s'incorpore à la composition lors de sa préparation et son stockage. On pourrait aussi utiliser spécifiquement des inhibiteurs de polymérisation tels que l'hydroquinone, la t-butylhydroquinone, l'hydroquinone-monoéthyl-éther, le t-butylcatéchol, la phénothiazine ou l'et-naphtol. De manière particulière, la différence d'indice de réfraction optique entre la composition non polymérisée et le polymère est supérieure à 0,028. On constate que cette différence est suffisante pour que le phénomène décrit précédemment se produise. Selon un mode de réalisation, la composition comporte du pentaérythritol tri-acrylate ou du pentaérythritol tétra-acrylate (PETA). Ce composé permet d'obtenir un polymère avec de bonnes qualités de transparence et un indice de réfraction proche de ceux du verre utilisé pour les fibres optiques. De manière complémentaire, la composition comporte en outre un composé fluoré, tel que par exemple de l'acrylate de heptafluoro-butyle (HFBA). Le PETA et le HFBA forment ensemble un copolymère après polymérisation. Le dosage entre le PETA et le HFBA permet d'ajuster à la demande l'indice de réfraction optique de la composition et du polymère du pont. On choisit l'indice du polymère au plus proche de celui du coeur des fibres à épisser. De manière particulière, la composition comporte en outre de l'éosine comme agent de sensibilisation de la 6 composition à la lumière. L'éosine permet d'amorcer la polymérisation lorsqu'elle est exposée à de la lumière visible, en particulier à de la lumière émise par une diode laser verte à une longueur d'onde de 532 nm. En ajustant sa concentration, on modifie l'intensité lumineuse nécessaire pour obtenir la polymérisation. Plus la concentration est importante, plus la lumière est absorbée et la polymérisation se produit rapidement. La concentration d'éosine est par exemple inférieure à 0,2%. La composition contient par exemple également du N-méthyldiéthanolamine (MDEA). On constate que ce composé facilite la polymérisation. Le photo-initiateur, l'éosine, amorce le processus de polymérisation en absorbant la lumière. Ensuite, l'éosine réagit avec le MDEA conduisant d'un état excité singulet instable vers un état triplet stable qui génère des radicaux libres. Ces radicaux libres, ainsi formés, réagissent avec le monomère (PETA) pour former une chaîne réticulée qui forme le polymère. Dans une étape supplémentaire, on élimine la composition non polymérisée en laissant le pont, et on la remplace par une composition pour former une gaine autour du pont. La gaine est ainsi reconstituée et peut être maintenue de manière durable. Pour remplacer la composition, on peut rincer celle en place non polymérisée avec un solvant, tel que de l'éthanol, et mettre une composition, polymérisable par diverses méthodes. Si la composition est photopolymérisable, elle est éclairée par une lumière radiale par rapport à l'axe des fibres. Par exemple, on polymérise la composition formant la gaine, l'indice de réfraction optique du polymère formé étant inférieur à celui du pont. La jonction de la gaine reconstituée et du pont constitue un guide d'onde dans la continuité des fibres optiques assurant des pertes minimes. Comme la composition est polymérisée, elle est durable et reste en place sans vieillissement notable. De manière particulière, on effectue une étape de traitement thermique de la jonction au-dessus d'un seuil prédéterminé de température. Cette étape permet de stabiliser la polymérisation et d'obtenir une jonction qui reste stable dans le temps, en particulier en ambiance chaude. L'invention a aussi pour objet une jonction de deux fibres optiques placées bout-à-bout, un interstice séparant les extrémités des fibres optiques comportant un pont, caractérisée en ce qu'elle est obtenue selon le procédé d'épissure décrit précédemment. Selon une disposition constructive, la jonction comporte des moyens mécaniques de maintien des fibres entre elles. Des efforts exercés entre les fibres ne sont pas transmis au pont, mais repris par les moyens mécaniques. L'intégrité du pont, accolé à l'extrémité des fibres, est donc préservée. De manière particulière, les moyens mécaniques comportent au moins une fenêtre optique pour activer la photopolymérisation de la gaine autour du pont. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue d'un système pour la mise en oeuvre d'un procédé d'épissure selon l'invention ; - la figure 2 est une vue d'une première étape de la réalisation d'une jonction entre deux fibres optiques selon le procédé conforme à l'invention ; - les figures 3 et 4 sont des figures similaires à la figure 2 de deux étapes suivantes ; - la figure 5 est une vue en perspective de moyens mécaniques de maintien des fibres entre elles ; - la figure 6 est une image prise au microscope d'une épissure réalisée selon le procédé de l'invention ; - la figure 7 est un diagramme représentant les pertes d'insertion d'un exemple de réalisation de l'invention avec des fibres monomodes comparé à la technique antérieure ; - la figure 8 este une figure similaire à la figure 7 pour un mode de réalisation avec des fibres multimodes. DESCRIPTION DETAILLÉE Un procédé d'épissure de fibres optiques 11, 12 comportant classiquement un coeur 111, 121 entouré d'une gaine 110, 120 est mis en oeuvre conformément à l'invention avec les moyens mécaniques 2 de maintien tels que montrés sur la figure 5. Ces moyens mécaniques 2 servent à tenir les fibres optiques 11, 12 en regard l'une de l'autre pendant et après la réalisation de l'épissure. Les moyens mécaniques 2 comportent une platine 20 servant de base et des leviers 21 servant à pincer les fibres optiques 11, 12 contre la platine 20. La platine 20 comporte en son milieu deux rainures 22 en vé alignées et destinées à guider les fibres 11, 12 pour que leurs extrémités 112, 122 soient en regard l'une de l'autre et que les coeurs 111, 112 des fibres soient coaxiaux. Une entaille 23 sépare les deux rainures 22. Dans une première étape du procédé, deux fibres optiques 11, 12 dont les bouts ont été débarrassés de leur jaquette de protection sont placées dans le prolongement l'une de l'autre dans les rainures 22 en vé. Les fibres optiques 11, 12 sont du type monomode à 1550 nm et ont pour référence « SMF28e » chez la société Corning. Le coeur de ces fibres a un diamètre de l'ordre de 10 }gym. Un interstice 13 est maintenu entre leurs extrémités 112, 122, avec une largeur ajustée entre 0 et 200 }gym, mais de préférence entre 10 et 100 }gym. La 30 35 9 première des fibres 11 est connectée à son extrémité 112 opposée à une source de lumière telle qu'un laser 3 à l'argon, comme montré sur la figure 1. On place les moyens mécaniques 2 sur un microscope 4, de manière à observer l'interstice 13 de manière perpendiculaire à l'axe des fibres et à contrôler la largeur dudit interstice 13. La connexion au laser est faite par l'intermédiaire d'un obturateur 5 qui permet de laisser passer sur commande le rayon laser vers la première fibre optique. Dans une deuxième étape, une composition photopolymérisable, détaillée ci-après, est placée dans l'interstice 13 entre les extrémités 112, 122 des fibres à l'aide d'une pipette. Dans une troisième étape, on éclaire la composition à travers la fibre optique en alimentant le laser et en laissant ouvert l'obturateur pendant un temps prédéterminé pour construire un pont 131 entre les deux fibres. Dans une quatrième étape, on place une composition dans l'interstice 13 pour former une gaine autour du pont 131 à la place du reste de composition non polymérisée. Dans un exemple, la composition est élaborée de la manière suivante : - on place dans un agitateur 5 mL de triacrylate ou tétra-acrylate de penta-érythritol (PETA) avec une pipette ; - on ajoute du N-méthyldiéthanolamine (MDEA) à l'aide d'une pipette ; on agite la solution pendant une heure ; on ajoute au mélange de l'hepta-fluoro-butyleacrylate (HFBA) à l'aide d'une pipette ; - on prélève une pointe de mini spatule d'éosine en poudre et on l'ajoute au mélange ; on agite la composition durant 12 heures en prenant soin de placer le récipient à l'abri de la 10 lumière ; - puis on laisse reposer la composition 4h minimum de façon à éliminer les bulles d'air de la composition, toujours à l'abri de la lumière. La composition pour le pont 131 est la suivante : 64,5 % de PETA, 31 % de HFBA, 4,48% de MDEA et 0,02% d'éosine. On mesure un indice de réfraction de 1,43 pour la composition, et de 1,46 pour le matériau polymérisé. Une composition similaire est préparée selon la même procédure pour la réalisation de la gaine 132 autour du pont 131. Cette composition a les proportions suivantes : 54,5 % de PETA, 41 % de HFBA, 4,48% de MDEA et 0,02% d'éosine. On mesure un indice de réfraction de 1,41 avant polymérisation et 1,44 pour le matériau polymérisé. Avant le dépôt d'une goutte de solution photo-polymérisable, on règle la puissance du laser de façon à ce que sa puissance en sortie de fibre soit égale à 5 pW. On place l'obturateur 5 en position fermée de façon à obturer le faisceau laser. On vient ensuite déposer une goutte de solution photo-polymérisable qui va reconstruire le pont 131 dans l'interstice 13 entre les extrémités 112, 122 des fibres 11, 12, comme le montre la figure 2. On envoie alors le faisceau laser dans la première fibre 11 pendant une seconde, ce temps d'exposition étant contrôlé à l'aide de l'obturateur 5. Comme expliqué précédemment, la matière exposée à la lumière dans le prolongement du coeur 111 de la première fibre 11 se polymérise et forme d'abord une pointe 130, comme montré sur la figure 3, puis un pont 131 entre les coeurs 111, 112 des fibres 11, 12 de forme sensiblement cylindrique, comme montré sur la figure 4. On place alors la deuxième composition à la place de la première composition non polymérisée, autour du pont 131. On expose cette composition à la lumière pour 11 la polymériser et qu'elle forme une gaine 132 autour du pont 131, comme montré sur les figures 4 et 6. On peut ajouter une étape de stabilisation en soumettant la jonction à une température stabilisée, par exemple 90°C, pour que les variations de température par la suite ne se traduisent pas par des modifications de propriétés de la transmission. Des mesures de pertes d'insertion ont été établies avec l'exemple tel que décrit précédemment et sont transcrits sur la courbe C du diagramme de la figure 7. La longueur d'onde est de 1550 nm. Les résultats sont comparés avec ceux obtenus avec une jonction avec simplement de l'air dans l'interstice 13 (courbe A), ou un gel d'indice composé de monomère PETA pur (courbe B). On constate de bien meilleures performances de la jonction réalisée selon l'invention. Dans un deuxième exemple, des fibres multimodes ont été raccordées selon la méthode décrite précédemment. Les fibres ont un coeur de l'ordre de 50 }gym. Des mesures de pertes d'insertion ont été établies à une longueur d'onde de 1550 nm. Les résultats sont présentés sur la courbe D de la figure 8 et sont comparés avec les pertes dans une jonction avec un gel d'indice composé de monomère PETA pur dans l'interstice 13 (courbe E). On constate que les pertes sont comparables jusqu'à un interstice de 300 }gym et sont nettement plus faibles pour l'invention à des largeurs d'interstice supérieures. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. On pourra former le pont 131 en éclairant simultanément les deux fibres. REVENDICATIONS1. Procédé d'épissure de deux fibres optiques (11, 12) selon lequel on procède aux étapes suivantes : - on aligne les deux fibres (11, 12) avec une de leurs extrémités (112, 122) en vis-à-vis l'une de l'autre, - on place une composition photopolymérisable dans l'interstice (13) entre les deux extrémités (112, 122), la composition ayant un indice de réfraction optique plus grand lorsqu'elle est polymérisée, - on fournit de la lumière à la composition par au moins l'une des fibres (11, 12) pour former un pont (131) de matière polymérisée entre les extrémités (112, 122) des deux fibres, caractérisé en ce que la composition a un seuil de polymérisation pour l'énergie lumineuse fournie au-delà duquel la polymérisation s'amorce. 2. Procédé selon la revendication 1, selon lequel la différence d'indice de réfraction optique entre la composition non polymérisée et le polymère est supérieure à 0,028. 3. Procédé selon la revendication 1, selon lequel la composition comporte du pentaérythritol triacrylate ou du penta-érythritol tétra-acrylate (PETA). 4. Procédé selon la revendication 3, selon lequel la composition comporte en outre un composé fluoré. 5. Procédé selon la revendication 4, selon lequel le composé fluoré est de l'acrylate de heptafluoro-butyle (HFBA). 6. Procédé selon la revendication 3, selon lequel la composition comporte en outre de l'éosine comme agent de sensibilisation de la composition à la lumière. 7. Procédé selon la revendication 3, selon lequel la composition contient également du N-méthyldiéthanolamine (MDEA). 13 8. Procédé selon la revendication 1, selon lequel la composition contient de l'oxygène dissous. 9. Procédé selon la revendication 1, selon lequel on élimine la composition non polymérisée en laissant le pont (131), et on la remplace par une composition pour former une gaine (132) autour du pont (131). 10. Procédé selon la revendication 9, selon lequel on polymérise la composition formant la gaine (132), l'indice de réfraction optique du polymère formé étant inférieur à celui du pont (131). 11. Procédé selon la revendication 1, selon lequel on effectue une étape de traitement thermique de la jonction au-dessus d'un seuil prédéterminé de température. 12. Jonction de deux fibres optiques (11, 12) placées bout-à-bout, un interstice (13) séparant les extrémités (112, 122) des fibres optiques (11, 12) comportant un pont (131), caractérisée en ce qu'elle est obtenue selon le procédé d'épissure de l'une des revendications 1 à 10. 13. Jonction selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens mécaniques (2) de maintien des fibres entre elles. 14. Jonction selon la revendication 13, dans laquelle les moyens mécaniques (2) comportent au moins une fenêtre optique pour activer la photopolymérisation de la gaine (132) autour du pont (131).