Brevet FR3084073A1 — publié le 20200124

Description Titre de l'invention : Fibre optique à atténuation réduite contenant du chlore Domaine de l'invention [0001] La présente description concerne une fibre optique. Arrière-plan technique [0002] En général, si un élément de métal alcalin ou de métal alcalino-terreux est contenu dans l'âme d'une ébauche de fibre optique consistant en verre de silice, l'atténuation occasionnée par une dispersion Rayleigh d'une fibre optique diminuera puisque la viscosité de l'âme est réduite et le ré-arrangement de verre est facilité pendant que l'ébauche de fibre optique est étirée en la fibre optique. A la fois l'élément de métal alcalin et l'élément de métal alcalino-terreux sont ci-après appelés le "groupe de métal alcalin" [0003] Si l'âme qui contient un groupe de métal alcalin ne contient pas de chlore (ou contient uniquement une faible concentration en chlore), l'atténuation augmentera puisque des défauts de verre apparaissent lorsque la connexion dans la structure moléculaire du verre est rompue lorsque les éléments de groupe de métal alcalin ajoutés à la partie centrale de l'âme dans l'état de l'ébauche de fibre optique s'étalent pendant l'étirage de fibre. Si l'âme contient une quantité suffisante de chlore, l'atténuation occasionnée par des défauts de verre diminuera puisque l'apparition de défauts de verre est restreinte lorsque le chlore remplit les défauts de verre occasionnés par la diffusion du groupe de métal alcalin. [0004] Afin de réduire l'augmentation d'atténuation occasionnée par de tels défauts de verre, l'âme de fibres optiques décrite dans Tokuhyo N°2009-541796 (document de brevet 1) et Tokukai N°2017-76053 (document de brevet 2) contient du chlore en plus du groupe de métal alcalin. Lorsque l'âme est divisée en âme interne et âme externe dans la fibre optique décrite par le document de brevet 1, la concentration minimale en chlore de l'âme interne est de 0 à 100 ppm en mol, et la concentration maximale en chlore de l'âme externe est de 500 ppm en mol ou supérieure. Dans la fibre optique décrite dans le document. de brevet 2, la concentration en chlore de l'âme interne est de 0 à 1000 ppm en mol, et celle de l'âme externe est de 4000 ppm en mol ou supérieure. [0005] Dans chacun des documents de brevets 1 et 2, la concentration en chlore de l'âme interne est inférieure à celle de l'âme externe. On pense ainsi que l'augmentation de l'atténuation due à des défauts de verre peut être restreinte puisqu'une concentration plus faible en chlore dans l'âme interne à laquelle le groupe de métal alcalin est ajouté restreint une cristallisation alors qu'une concentration plus élevée en chlore dans l'âme 2 externe restaure le défaut de verre occasionné pendant l'étirage de fibre. Résumé de l'invention [0006] Moyen pour résoudre le problème [0007] La libre optique de cette description consiste en verre de silice et contient une âme et une gaine. La gaine enferme l'âme et présente un indice de réfraction inférieur à l'indice de réfraction de l'âme. L'âme contient du chlore ainsi qu'un métal alcalin ou un élément de métal alcalino-terreux. Dans toute la région de l'âme, la concentration en chlore est (le 1 ppm ou supérieure, et la valeur absolue de taux (le modification radiale de la concentration en chlore est inférieure à 2000 ppm/nm. [0008] Dans cette description, la "concentration" est exprimée en termes de "fraction massique" Oc rapport de masse de chaque constituant par rapport à la masse du verre global) à moins d'être sinon spécifiquement citée. Lc taux de modification radiale de la concentration en chlore est défini comme la pente (valeur de coefficient a) de la formule de fonction linéaire ar + b qui réalise une approximation de la concentration en chlore N(r) à une distance r à partir de l'axe de fibre dans l'intervalle de 1 nm et dont les coefficients sont déterminés par la méthode des moindres carrés. Brève description des dessins [0009] [fig.1] La figure 1 représente une section transversale d'une fibre optique de la présente description. [0010] [fig.2] La figure 2 est un diagramme pour expliquer un procédé de fabrication de la fibre optique de la figure 1. 100111 Ifie.31 La figure 3 est un graphique représentant le profil radial de concentration en chlore de la fibre optique E. 100121 Ifie.41 La figure 4 est un graphique dans lequel des relations entre l'atténuation a1,55 (dB/km) à une longueur d'onde de 1550 nm et le taux maximal (ppm/µm) de la modification radiale de concentration en chlore sont tracées par rapport à chacune des libres optiques A à.1. 100131 Ifie.51 La figure 5 est un graphique représentant le profil radial respectif de concentration en chlore des fibres optiques A et B. Description de l'invention 100141 Si une structure bicouche est formée par rapport au profil de concentration en chlore dans l'âme d'une fibre optique comme décrit dans les documents de brevets 1 et 2, la différence du niveau de concentration en chlore apparaîtra entre l'âme interne et l'âme externe. Puisqu'une déformation apparait à proximité d'une telle différence de niveau de la concentration en chlore, et que l'atténuation augmente en raison de la déformation, il est difficile de réduire l'augmentation de l'atténuation d'une fibre optique. Cette description offre une fibre optique dans laquelle l'augmentation de l'atténuation 3 peut être réduite. [0015] La présente invention concerne une fibre optique constituée de verre de silice et contenant une âme et une gaine, la gaine enfermant l'âme et présentant un indice de réfraction inférieur à l'indice de réfraction de l'âme, l'âme contenant du chlore ainsi qu'un métal alcalin ou un élément de métal alcal inoterreux, l'âme présentant une concentration en chlore de 1 ppm ou supérieure dans toute la région de celle-ci, et la valeur absolue de taux de modification radiale de la concentration en chlore étant inférieure à 2000 ppm/FLm. [0016] Selon une caractéristique particulière, la valeur absolue du taux de modification radiale dans la concentration en chlore de toute la région de l'âme est inférieure à 1000 ppm/µm. [0017] Selon une autre caractéristique particulière, la valeur absolue du taux de modification radiale dans la concentration en chlore de toute la région de l'âme est inférieure à 500 ppm/µm. [0018] Selon une autre caractéristique particulière, la valeur absolue du taux de modification radiale dans la concentration en chlore de toute la région de l'âme est inférieure à 300 ppm/µm. [0019] Selon une autre caractéristique particulière, la valeur absolue du taux de modification radiale dans la concentration en chlore de toute la région de l'âme est supérieure à 100 ppm/µm. [0020] Selon une autre caractéristique particulière, la valeur absolue du taux de modification radiale dans la concentration en chlore de toute la région de l'âme est supérieure à 200 ppm/µm. [0021] Selon une autre caractéristique particulière, l'âme contient du fluor. [0022] Selon une autre caractéristique particulière, la concentration moyenne en fluor dans l'âme est de 500 à 4000 ppm. [0023] Selon une autre caractéristique particulière, la valeur moyenne de la concentration en élément de métal alcalin ou métal alcalino-terreux dans l'âme est de 0,2 à 200 ppm. [0024] Selon une autre caractéristique particulière, l'âme contient, pour un élément de métal alcalin ou métal alcalino-terreux, un ou plusieurs éléments choisis dans un groupe consistant en sodium, potassium, rubidium, césium, et calcium. [0025] Ci-après, dans l'explication des dessins, le même signe de référence est appliqué à un élément identique, et la duplication d'explication sera omise [0026] La figure 1 représente la section transversale d'une fibre optique 1 de la présente des- cription. La fibre optique 1 est constituée de verre de silice et comprend une âme 10 et une gaine 20 enfermant l'âme 10. L'indice de réfraction de la gaine est inférieur à celui de l'âme 10. L'âme 10 comprend du chlore et un quelconque du groupe de métal alcalin. La concentration en chlore est de 1 ppm ou supérieure dans toute la région de l'âme 10. Dans toute la région de l'âme 10, la valeur absolue du taux de modification radiale de la concentration en chlore est inférieure à 2000 ppm/jun. Dans une telle fibre optique 1, l'augmentation de l'atténuation peut être réduite. [0027] Le procédé de mesure de concentration en chlore est par exemple le suivant. Après broyage d'une face d'extrémité perpendiculaire à l'axe d'une fibre optique, la concentration en chlore est mesurée avec un micro-analyseur à faisceau d'électrons (EPMA : micro-analyseur à faisceau d'électrons) à chaque position le long d'une ligne droite passant à travers la position centrale de l'extrémité de la fibre optique. Comme pour les conditions de mesure par EPMA, la tension d'accélération est par exemple de 20 kV, le diamètre d'un faisceau de sonde est de 1 Ftm ou inférieur, et l'intervalle de mesure est de 100 nm ou inférieur. Le procédé de mesure pour la concentration d'autres éléments est également le même. [0028] Dans la fibre optique 1, la valeur absolue du taux de modification radiale dans la concentration en chlore de toute la région de l'âme 10 est de préférence inférieure à 1000 ppm/µm, encore mieux inférieure à 500 ppm/µm, et bien mieux encore inférieure à 300 ppm/µm. Dans toute la région de l'âme 10, la valeur absolue du taux de modification radiale de la concentration en chlore est de préférence supérieure à 100 ppm/ jn, et encore mieux supérieure à 200 ppm/mm. [0029] Dans la fibre optique 1, l'âme 10 contient de préférence du fluor. Il est possible d'abaisser la viscosité et de réduire l'atténuation en faisant en sorte que l'âme contienne du fluor. La concentration moyenne en fluor dans l'âme 10 est de préférence de 500 à 4000 ppm. Si le fluor n'est pas ajouté à l'âme, la viscosité n'est pas suffisamment abaissée et l'atténuation ne peut pas être réduite. D'autre part, si le fluor est ajouté à 4000 ppm ou plus, il peut apparaître un cas dans lequel la réduction d'atténuation ne peut pas être réalisée puisque la quantité d'incrément d'atténuation due à une fluctuation de concentration excède la quantité de réduction d'atténuation due à une diminution de la viscosité. [0030] Dans la fibre optique 1, la valeur moyenne de la concentration du groupe de métal alcalin dans l'âme 10 est de préférence de 0,2 à 200 ppm. La valeur moyenne de la concentration du groupe de métal alcalin est de préférence de 0,2 ppm ou supérieure afin de faire en sorte que l'atténuation à la longueur d'onde de 1550 nm soit de 0,160 dB/km ou inférieure. La valeur moyenne de la concentration du groupe de métal alcalin est de préférence de 200 ppm ou inférieure afin de restreindre l'apparition de cristallisation. L'âme 10 contient de préférence, comme le groupe de métal alcalin, un ou plusieurs éléments choisis dans un groupe consistant en sodium, potassium, rubidium, césium et calcium. [0031] La figure 2 est un diagramme qui explique un procédé de fabrication d'une fibre optique. Dans cc qui suit, une explication est décrite autour d'un exemple de conditions concrètes. Une fibre optique est produite par les procédés suivants dans l'ordre cité : procédé de préparation (étape S1), procédé de dopage (étape S2), procédé de réduction de diamètre (étape S3), procédé de décapage (étape S4), procédé d'affaissement (étape S5), procédé d'allongement et broyage (étape S6), procédé d'affaissement-dans-baguette (étape S7), procédé OVD (étape S8), et procédé d'étirage (étape S9). [0032] Dans le procédé de préparation (étape S1), un tuyau de verre de silice dans lequel des éléments de métaux alcalins (dopant), etc., sont à doper est préparé. La baguette de verre de silice à partir de laquelle le tuyau de verre de silice est formé contient une certaine concentration en chlore et en fluor de 500 à 4000 ppm, et la concentration des autres dopants et impuretés est de 10 ppm ou inférieure. Le diamètre externe de ce tuyau de verre de silice est de 30 à 40 mm, et le diamètre interne est de 15 à 25 mm. La concentration citée ici est une concentration définie par la formule (1) : dans le cas de la concentration en fluor F(r) à la position de rayon r. La lettre "c" représente le rayon d'une baguette de verre de silice à partir de laquelle un tuyau de verre est formé. La concentration est mesurée par EPMA comme dans le cas d'une fibre par exemple. Les conditions de mesure peuvent différer de celles d'une fibre, à condition que la concentration soit calculée en utilisant la courbe de calibration dans chaque condition. Comme la concentration en chlore diffère respectivement parmi de nombreuses fibres optiques fabriquées, la concentration moyenne en chlore de l'âme dans l'état de fibre optique est séparément résumée ici dans la suite dans le tableau. [0033] Dans le procédé de dopage (S2), un élément de potassium (K) en tant que dopant du groupe de métal alcalin est ajouté à la surface interne du tuyau de verre de silice. De 6 à 10 g de bromure de potassium (KBr) sont utilisés comme matériau. Ce matériau est chauffé à une température de 750°C à 850°C avec une source de chaleur extérieure afin de générer la vapeur de matériau. Tout en introduisant la vapeur de matériau dans l'intérieur du tuyau de verre de silice avec un gaz porteur consistant en oxygène ayant un débit de 1 NLM (1 litre/min converti dans les conditions de 0°C et 101,325 kPa), le tuyau de ven-e de silice est chauffé à partir de l'extérieur par un brûleur à oxyhydrogène de sorte que la surface extérieure du tuyau de verre peut présenter une température de 1600°C à 1800°C. Dans un tel cas, le brûleur est traversé à une vitesse de 30 à 60 mm/min pendant un total de 10 à 15 tours de sorte que la surface interne du 6 tuyau de verre de silice puisse être diffusée avec l'élément K. [0034] Dans le procédé de réduction de diamètre (étape S3), le diamètre du tuyau de verre de silice additionné de K diminue. Dans un tel cas, alors que de 0,5 à 1,0 NLM d'oxygène s'écoule à l'intérieur du tuyau de verre de silice, le tuyau de verre de silice est chauffé par une source de chaleur extérieure de sorte que sa surface extérieure puisse présenter une température de 2000°C à 2300°C. La source de chaleur extérieure est traversée pendant un total de 6 à 10 tours pour un chauffage jusqu'à ce que le tuyau de verre de silice présente un diamètre interne de 3 à 6 mm. [0035] Dans le procédé de décapage (étape S4), le décapage est réalisé sur la face intérieure du tuyau de verre de silice. Dans un tel cas, un décapage en phase vapeur est réalisé en chauffant le tuyau de verre de silice avec une source de chaleur extérieure tout en introduisant le gaz mixte de SF6 (0,2 à 0,4 NLM) et de chlore (0,5 à 1,0 NLM) dans l'intérieur du tuyau de verre de silice. De cette manière, la face intérieure du tuyau qui contient une concentration élevée en impuretés ajoutées avec les dopants prévus peut être érodée et les impuretés peuvent par-là être éliminées. [0036] Dans le procédé d'affaissement (étape S5), le tuyau de verre de silice est affaissé en un corps solide. Dans une telle étape d'affaissement, le tuyau de verre de slice 30 est affaissé en mettant la température de la surface entre 2000°C et 2300°C tout en introduisant un gaz mixte d'oxygène (0,1 à 0,5 NLM) et d'hélium (0,5 à 1,0 NLM) dans l'intérieur du tuyau de verre de silice et en décomprimant la pression absolue à l'intérieur du tuyau de verre de silice à 97 kPa ou inférieure. Par un tel affaissement, la partie d'âme (diamètre externe : 20 à 30 mm) est obtenue comme une baguette. Une couche d'âme qui ne contient pas le métal alcalin, etc., peut être appliquée sur l'extérieur de la baguette par un procédé bien connu, tel qu'un procédé de dépôt en phase vapeur extérieur (OVD) ou un procédé d'affaissement. [0037] Dans le procédé d'allongement & broyage (étape S6), la partie d'âme est allongée pour présenter un diamètre de 20 à 25 mm, et son périmètre est de plus broyé de sorte que le diamètre puisse être de 15 à 20 mrn Cette partie deviendra l'âme d'une fibre optique. [0038] Dans le procédé d'affaissement-dans-baguette (étape S7), une première partie de gaine est fournie sur l'extérieur de la partie d'âme. Dans un tel cas, le procédé d'affaissement-dans-baguette est utilisé : c'est-à-dire la partie d'âme est insérée dans l'intérieur du tuyau de verre de silice contenant du fluor, et à la fois la partie d'âme et le tuyau sont unifiés pour fabriquer une baguette par chauffage avec une source de chaleur extérieure. La différence entre l'indice de réfraction de la partie d'âme et l'indice de réfraction de la première partie de gaine est d'environ 0,34% au maximum relativement à l'indice de réfraction de verre de silice pur. Il résulte de l'unification de la partie d'âme et du tuyau par un tel procédé d'affaissement-dans-baguette que la 7 quantité d'humidité de la partie d'âme et de la première partie de gaine voisine peut être contrôlée à un niveau suffisamment faible. [0039] Dans le procédé OVD (étape S8), la baguette fabriquée en unifiant la partie d'âme et la première partie de gaine est allongée pour fournir un diamètre donné, et une seconde partie de gaine contenant du fluor est après cela formée par le procédé OVD sur l'extérieur de la baguette, de sorte qu'une ébauche de fibre optique est produite. [0040] Dans le procédé d'étirage (étape S9), une fibre optique est produite par étirage d'une ébauche de fibre optique fabriquée par le procédé cité ci-dessus pour produire une ébauche de fibre optique. La vitesse d'étirage est de 1800 m/min à 2300 m/min, et la tension d'étirage est de 0,5N. [0041] Le Tableau 1 est un tableau représentant les spécifications pour chacune des 16 sortes de fibres optiques (A à P) qui ont été fabriquées et évaluées. Le tableau présente, pour chacune des fibres optiques A à P, la concentration moyenne en K (ppm) de l'âme globale, le taux maximal de modification radiale (ppm/µm) dans la concentration en chlore de l'âme, l'atténuation al,. (dB/km) à la longueur d'onde de 1550 nm, le diamètre d'âme (itm), la longueur d'onde de coupure (nm), la surface effective Acff (rte) à la longueur d'onde de 1550 nm, la position radiale (p.m) de la concentration maximale en chlore, la concentration moyenne en chlore (ppm) de l'âme globale, et la concentration moyenne en fluor (ppm) de l'âme globale. [0042] La figure 3 est un graphique représentant le profil de concentration en chlore dans la direction radiale d'une fibre optique E. Dans la fibre optique E, le maximum du taux de modification dans la concentration en chlore dans la direction radiale était de 708 ppm/ [tm. [0043] La figure 4 représente un graphique dans lequel l'atténuation a.15, (dB/km) à la longueur d'onde de 1 550 nm et le maximum (ppm/µm) du taux de modification radiale de la concentration en chlore sont tracés pour chacune des fibres optiques A à J. On reconnait à partir de ce graphique que l'atténuation u1 a tendance à être minimale lorsque le taux maximal de modification radiale de concentration en chlore est d'environ 300 ppm/ilm. [0044] La figure 5 représente le profil radial de concentration en chlore de chacune des fibres optiques A et B. Bien que la valeur maximale de taux de modification radiale de concentration en chlore de la fibre optique B soit supérieure à celle de la fibre optique A, la concentration en chlore est plus importante dans le domaine central (c'est-à-dire, domaine dans une moitié du rayon de l'âme) où la concentration en K est considérée comme étant supérieure et l'atténuation a1.55 de la fibre optique B est inférieure à celle de la fibre optique A. Ceci est dû au fait que l'atténuation peut être restreinte puisque le Cl, qui remplit un défaut de verre occasionné lorsque le groupe de métal alcalin s'étale au moment de l'étirage, dans le domaine central d'âme contenant le groupe de métal 8 alcalin restaure efficacement le défaut. En général, plus le taux maximal radial de modification de concentration en chlore est faible, plus l'atténuation est faible. On peut cependant dire que l'atténuation ne deviendra pas nécessairement minimale môme si le taux maximal radial de modification de concentration en chlore est rendu égal à 0 ppm/ 1t,m afin de minimiser l'augmentation de l'atténuation duc à la déformation. [0045] L'atténuation dépend également de la concentration du groupe de métal alcalin contenu dans l'âme. On considère cependant qu'une telle influence est faible dans les fibres optiques A à P puisque la concentration du groupe de métal alcalin est unifiée à environ 30 ppm. [0046] L'atténuation dépend également de la concentration moyenne respective de chlore et de fluor contenus dans l'âme. On considère cependant que dans les fibres optiques A à K une telle influence est faible puisque la concentration en chlore est unifiée à environ 600 ppm et la concentration en fluor est unifiée à environ 2 000 ppm. [0047] L'addition de fluor est importante pour abaisser la viscosité d'une âme. La concentration optimale en fluor est cependant d'environ 500 à 4000 ppm en ce qui concerne les fibres optiques B, K, L, M, N, O, et P, dans lesquelles la pente maximale de concentration en chlore est d'environ 100 ppm/µm. Si la concentration en fluor est supérieure à celle-ci, l'atténuation augmentera par la fluctuation de concentration. [0048] D'autre part, lorsque la fibre optique B est comparée à la fibre optique K, on peut dire que l'atténuation sera relativement faible dans le cas où la concentration maximale en chlore se trouve dans le domaine central (domaine dans une moitié du rayon de l'âme) de l'âme même si le taux radial maximal de modification de concentration en chlore est comparativement au même niveau. On considère également dans ce cas que l'atténuation est restreinte lorsque le chlore remplit un défaut de verre et le défaut est efficacement restauré lorsque le groupe de métal alcalin s'étale au moment de l'étirage. [0049] Explication des signes de référence [0050] 1 - fibre optique, 10 - âme, 11- âme interne, 12 - une âme externe, 20 - gaine. [0051] 9 [Tableaux 1 ] Caccoaceee a .43434 Fe,,CE crec, 44 .3, ' Deacicce, 1E64 45E0,1416 ! .26:54, ,a4clo ala cc,262124. ka free 24. lce 04,4 26] .044.3',10' 1.58e5e1 One 45.614 24 Crer , ,a17., 120,2',04:66 ,c