Brevet FR3080463A1 — publié le 20191025

Description Titre de l'invention : Fibre optique 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 un élément 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 de 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 ». 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 se connecte au groupe de métal alcalin. Afin de réduire l'augmentation d'atténuation occasionnée par de tels défauts de verre, l'âme de fibres optiques décrite dans JP 2009-541796A (document de brevet 1) et JP 2017-76053A (document de brevet 2) contient du chlore en plus du groupe de métal alcalin. Lorsque l'âme est divisée en une âme interne et une âme externe dans la fibre optique décrite par le document de brevet 1, la concentration en chlore de l'âme interne est de 0 à 100 ppm en mole, et la concentration en chlore de l'âme externe est de 500 ppm en mole 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 1 000 ppm en mole, et celle de l'âme externe est de 4 000 ppm en mole ou supérieure. Dans chacun des documents de brevets 1 et 2, la concentration en chlore de l'âme interne est plus faible que celle de l'âme externe. On pense ainsi que l'augmentation de l'atténuation due à des défauts de verre peut être restreinte si la concentration en chlore de l'âme interne dans laquelle le groupe de métal alcalin est ajouté est abaissée pour contrôler la cristallisation alors que la concentration en chlore de l'âme externe est augmentée pour restaurer le défaut de verre occasionné pendant l'étirage de fibre. Résumé de l'invention 2 [0003] Moyens pour résoudre le problème La fibre optique de la présente description est constituée de verre de silice et comprend une âme et une gaine. L'âme présente un rayon de ro et contient un métal alcalin ou un élément de métal alcalino-terreux. La gaine enferme l'âme et présente un indice de réfraction inférieur à celui de l'âme. L'âme inclut une âme interne ayant un rayon de r0/2 et une âme externe ayant un rayon interne de r0/2 et un rayon externe de ro . La concentration moyenne en chlore de l'âme interne est supérieure à celle de l'âme externe. [0004] Ainsi, selon un aspect, la présente invention concerne une fibre optique constituée de verre de silice et comprenant : une âme contenant un métal alcalin ou un élément de métal alcalino-terreux et présentant un rayon de ro ; et une gaine enfermant l'âme et présentant un indice de réfraction inférieur à celui de l'âme, caractérisée en ce que l'âme inclut une âme interne ayant un rayon de r0/2 et une âme externe ayant un rayon interne de r0/2 et un rayon externe de ro, et la concentration moyenne en chlore de l'âme interne est supérieure à celle de l'âme externe. Selon une caractéristique particulière de cette fibre optique, le taux de modification de concentration en chlore dans la direction radiale de l'âme n'est pas supérieur à - 10 ppm en masse pour 1 pm. Selon une autre caractéristique particulière de cette fibre optique, la concentration moyenne en chlore de l'âme interne est de 100 ppm en masse à 2 000 ppm en masse. Selon une autre caractéristique particulière de cette fibre optique, la concentration moyenne en chlore de l'âme externe est de 100 ppm en masse à 2 000 ppm en masse. Selon une autre caractéristique particulière de cette fibre optique, le rapport A/B de la concentration moyenne en chlore A de l'âme interne à la concentration moyenne en chlore B de l'âme externe est supérieur à 1,5. Selon une autre caractéristique particulière de cette fibre optique, le rapport A/B de la concentration moyenne en chlore A de l'âme interne à la concentration moyenne en chlore B de l'âme externe est supérieur à 2,0. Selon une autre caractéristique particulière de cette fibre optique, l'âme contient du fluor. Selon une autre caractéristique particulière de cette fibre optique, la concentration moyenne en fluor dans l'âme est de 500 à 5 000 ppm en masse. Selon une autre caractéristique particulière de cette fibre optique, la concentration moyenne du groupe de métal alcalin dans l'âme est de 0,2 à 200 ppm en masse. Selon une autre caractéristique particulière de cette fibre optique, l'âme contient un ou plusieurs éléments choisis dans un groupe consistant en sodium, potassium, rubidium, césium, et calcium. Selon une autre caractéristique particulière de cette fibre optique, le nombre de mode 3 de propagation à la longueur d'onde de 1 550 nm est de un. Selon une autre caractéristique particulière de cette fibre optique, le nombre de mode de propagation à la longueur d'onde de 1 550 nm est de deux ou supérieur. Brève description des dessins [0005] [fig.1] La figure 1 représente une section transversale d'une fibre optique de la présente description. [fig.21 La figure 2 est un diagramme pour expliquer un procédé de fabrication de la fibre optique de la figure 1. [fig.31 La figure 3 est un tableau résumant les spécifications de fibres optiques des exemples A à K de la figure 1. [fig.41 La figure 4 est un graphique dans lequel la concentration moyenne en chlore de l'âme complète et l'atténuation à une longueur d'onde de 1 550 nm sont tracées pour chacune des fibres optiques A à K. [fig.51 La figure 5 est un graphique représentant un profil radial de concentration en chlore dans la fibre optique B. Description détaillée de l'invention [0006] Le coût de fabrication d'une fibre optique augmentera si la concentration en chlore de l'âme externe est rendue supérieure à celle de l'âme interne selon l'invention décrite dans les documents de brevets 1 et 2. On décrira ci-après en détail des modes de réalisation de la présente invention en faisant référence aux dessins. Dans les dessins, le même signe de référence est appliqué à une partie identique, et on évite la répétition d'explication. La présente invention ne sera pas limitée aux modes de réalisation, et l'invention est représentée par la portée des revendications. Il est entendu que toutes les modifications dans la signification et la portée d'équivalents des revendications seront incluses dans la portée de l'invention. La figure 1 représente une section transversale de la fibre optique 1 de la présente description. La fibre optique 1 est constituée de verre de silice et comprend une âme 10 et une gaine 20. La gaine 20 enferme l'âme 10 et présente un indice de réfraction inférieur à celui de l'âme 10. L'âme 10 comprend un groupe de métal alcalin quelconque, et lorsque l'âme 10 est divisée en une âme interne 11 et une âme externe 12 à une moitié du rayon de l'âme 10, la concentration moyenne en chlore de l'âme interne 11 est supérieure à celle de l'âme externe 12. Le fait que la concentration moyenne en chlore de l'âme interne 11 soit supérieure à celle de l'âme externe 12 indique que la concentration en chlore est également importante dans le domaine où la concentration du groupe de métal alcalin est importante. Il est par conséquent possible de restreindre l'augmentation d'atténuation occasionnée 4 par des défauts de verre résultant de la diffusion du groupe de métal alcalin, et l'augmentation de perte d'hydrogène peut de plus être contrôlée. L'augmentation du coût de fabrication ainsi que l'augmentation d'atténuation due à des défauts de verre peuvent ainsi être restreintes pour la fibre optique 1. Dans la fibre optique 1, le taux de modification de concentration en chlore dans la direction radiale de l'âme 10 n'est de préférence pas supérieur à -10 ppm en masse pour 1 pm. Le taux de modification de la concentration en chlore dans la direction radiale est défini comme une pente d'une fonction linéaire qui est une approximation de la concentration en chlore. La pente est déterminée par la méthode des moindres canés. La concentration moyenne en chlore de l'âme interne 11 est de préférence de 100 ppm en masse à 2 000 ppm en masse. La concentration moyenne en chlore de l'âme externe 12 est de préférence de 100 ppm en masse à 2 000 ppm en masse. Dans la fibre optique 1, A/B, qui est le rapport de la concentration moyenne en chlore A de l'âme interne 11 à la concentration moyenne en chlore B de l'âme externe 12, est de préférence supérieur à 1,5, et encore mieux supérieur à 2,0. Dans la fibre optique 1, l'âme 10 contient de préférence du fluor. Il est possible de réduire la viscosité en ajoutant du fluor à l'âme, et l'atténuation peut ainsi être abaissée. La concentration moyenne en fluor dans l'âme 10 est de préférence de 500 à 5 000 ppm en masse. Si le fluor n'est pas ajouté à 500 ppm en masse ou plus, la viscosité ne diminuera pas suffisamment et l'atténuation ne peut pas être réduite. D'autre part, si le fluor est ajouté à 5 000 ppm en masse ou plus, la réduction d'atténuation ne peut pas être réalisée puisque l'incrément d'atténuation dû à une fluctuation de concentration excède la réduction d'atténuation obtenue par la diminution de viscosité. Dans la fibre optique 1, la concentration moyenne du groupe de métal alcalin dans l'âme 10 est de préférence de 0,2 à 200 ppm en masse. Il est souhaitable que la concentration moyenne de groupe de métal alcalin soit de 0,2 ppm en masse ou supérieure afin de réduire l'atténuation à la longueur d'onde de 1 550 nm à 0,160 dB/km ou inférieure. La concentration moyenne du groupe de métal alcalin est de préférence de 200 ppm en masse ou inférieure afin de restreindre l'apparition de cristallisation. Comme pour le groupe de métal alcalin, l'âme 10 contient de préférence un ou plusieurs éléments choisis dans un groupe consistant en sodium, potassium, rubidium, césium, et calcium. Dans la fibre optique 1, le nombre de mode de propagation à la longueur d'onde de 1 550 nm est de préférence de un. Dans un tel cas, la fibre optique peut réaliser une opération à mode unique à la longueur d'onde de 1 550 nm. De plus, le nombre de mode de propagation à la longueur d'onde de 1 550 nm peut être de deux ou supérieur. Dans un tel cas, la fibre optique peut être utilisée pour une transmission optique dans une bande autour de la longueur d'onde de 1 550 nm. La figure 2 est un diagramme qui explique un procédé de fabrication d'une fibre optique. Dans ce qui suit, une explication est décrite autour d'un exemple de conditions concrètes. Une fibre optique est produite par les procédés suivants : procédé de préparation (étape Si), 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-tige (étape S7), procédé OVD (étape S8), et procédé d'étirage (étape S9) dans l'ordre énuméré. Dans le procédé de préparation (étape Si), un tube de verre de silice dans lequel des éléments de métaux alcalins (dopant), etc., à doper est préparé. La tige de verre de silice à partir de laquelle le tube de verre de silice est formé contient une certaine concentration en chlore et en fluor de 500 à 5 000 ppm en masse, et la concentration des autres dopants et impuretés est de 10 ppm en masse ou inférieure. Le diamètre externe de ce tube de verre de silice est de 30 à 40 mm, et le diamètre interne est de 15 à 25 mm. Comme la concentration en chlore est différente dans chacune des fibres optiques produites à partir de celui-ci, la concentration moyenne en chlore de l'âme dans l'état de la fibre optique est résumée séparément dans le tableau ci-dessous. La concentration mentionnée ici est une concentration définie par la formule (1) dans le cas de la concentration en fluor, par exemple : F(t (1) C2 où F(r) représente la concentration en fluor à la position de rayon r. La lettre « c » représente le rayon d'une tige de verre de silice à partir de laquelle un tube de verre est formé. La tige de verre de silice, à partir de laquelle le tube de verre est formé, est fabriquée par les procédés dans l'ordre énuméré, par exemple : dépôt de suie par un procédé de dépôt axial en phase vapeur (VAD), déshydratation, et consolidation. Dans un tel cas, C12 et SiC14 sont utilisés comme gaz d'alimentation pendant la déshydratation, et le chlore ajouté pendant la déshydratation sera vaporisé pour se dissiper à travers la surface de suie ou de verre pendant la consolidation, de sorte que la concentration en chlore du côté externe diminue. Afin de contrôler une telle dissipation, ou afin d'en ajouter encore pour réaliser une concentration plus élevée, il est nécessaire de continuer l'alimentation en gaz à base de chlore pendant la consolidation. Ceci augmentera la quantité de gaz à utiliser, résultant en un coût plus élevé. Dans le procédé de dopage (étape S2), un élément de potassium (K) en tant que dopant 6 du groupe de métal alcalin est ajouté à la surface interne du tube 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 tube de verre de silice avec un gaz porteur consistant en oxygène ayant un débit de 1 NLM (1 litre/min converti dans des conditions normales), le tube de verre de silice est chauffé à partir de l'extérieur par un brûleur à oxy-hydrogène de sorte que la surface extérieure du tube de verre peut présenter une température de 1 600°C à 1 800°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 afin de réaliser le chauffage, et la surface interne du tube de verre de silice est ainsi diffusée avec l'élément K. Dans le procédé de réduction de diamètre (étape S3), le diamètre du tube de verre de silice additionnée de K diminue. Dans un tel cas, alors que de 0,5 à 1,0 NLM d'oxygène s'écoule à l'intérieur du tube de verre de silice, le tube de verre de silice est chauffé par une source de chaleur extérieure de sorte que sa surface extérieure peut présenter une température de 2 000°C à 2 300°C. La source de chaleur extérieure est traversée dans un total de 6 à 10 tours pour un chauffage jusqu'à ce que le tube de verre de silice présente un diamètre interne de 3 à 6 mm, et la réduction du diamètre est ainsi réalisée. Dans le procédé de décapage (étape S4), le décapage est réalisé sur la face intérieure du tube de verre de silice. Dans un tel cas, un décapage en phase vapeur est réalisé en chauffant le tube 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 tube de verre de silice. La face intérieure du tube qui contient une concentration élevée en impuretés ajoutées avec les dopants prévus peut de cette manière être coupée et les impuretés peuvent ainsi être éliminées. Dans le procédé d'affaissement (étape S5), le tube de verre de silice est affaissé pour être un corps solide. Dans un tel affaissement, le tube de verre de silice 30 est affaissé en mettant la température de la surface entre 2 000°C et 2 300°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 tube de verre de silice et en diminuant la pression absolue à l'intérieur du tube de verre de silice à 97 kPa ou inférieure. Par un tel affaissement, une partie d'âme (diamètre externe : 20 à 30 mm) est obtenue comme une tige. Une couche d'âme qui ne contient pas le métal alcalin, etc. peut être appliquée sur l'extérieur de la tige par un procédé bien connu, tel qu'un procédé de dépôt en phase vapeur extérieur (OVD) ou un procédé d'affaissement. Dans le procédé d'allongement et 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 7 diamètre peut être de 15 à 20 mm. Cette partie deviendra l'âme d'une fibre optique. A une moitié du rayon de la partie d'âme, la partie d'âme est divisée en une partie d'âme interne qui inclut l'axe central et une partie d'âme externe qui n'inclut pas l'axe central. Le profil de concentration en chlore de la partie d'âme est défini par la concentration moyenne en chlore de la partie d'âme interne et celle de la partie d'âme externe, et plusieurs parties d'âmes ont été fabriquées comme représenté dans le tableau suivant. La concentration moyenne en chlore de la partie d'âme interne est ici exprimée par la formule (2) suivante : 2 j / Ci( dr La concentration moyenne en chlore de la partie d'âme externe est exprimée par la formule (3) suivante : ra - Ci (i ).°7 (3) ro' où Cl (r) indique la concentration en chlore à une position de rayon r. Le rayon de la partie d'âme est ro, et r, = r0/2. Si le rayon de la partie d'âme est de 7 pm, la position limite est par exemple située à un rayon de 3,5 pm. La partie d'âme est définie comme la portion qui inclut l'axe central et dont l'indice de réfraction minimal est supérieur à celui de la fibre optique entière de 0,1 % ou supérieur. Dans le procédé d'affaissement-dans-tige (étape S7), une première partie de gaine (c'est-à-dire un domaine qui présente un diamètre externe d'environ 3 à 5 fois le diamètre classé en mode de la fibre optique et qui présente un effet important pour l'atténuation) est fournie sur l'extérieur de la partie d'âme. Dans un tel cas, le procédé d'affaissement-dans-tige est utilisé : c'est-à-dire, la partie d'âme est insérée dans l'intérieur du tube de verre de silice auquel du fluor est ajouté, et à la fois la partie d'âme et le tube sont unifiés pour fabriquer une tige par chauffage avec une source de chauffage extérieure. La différence relative d'indice de réfraction entre la partie d'âme et la première partie de gaine est d'environ 0,34 % au maximum. Il résulte de l'unification de la partie d'âme et du tube par un tel procédé d'affaissement-dans-tige que la quantité d'humidité de la partie d'âme et de la première partie de gaine voisine peut être contrôlée à un niveau suffisamment faible. Dans le procédé OVD (étape S8), la tige fabriquée en unifiant la partie d'âme et la première partie de gaine est allongée pour fournir un diamètre donné, et une seconde 8 partie de gaine contenant du fluor est après cela formée par le procédé OVD sur l'extérieur de la tige, de sorte qu'une ébauche de fibre optique est produite. 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 1 800 m/min à 2 300 m/min, et la tension d'étirage est de 0,5 N. La figure 3 est un tableau représentant les spécifications pour chacune de 11 sortes de fibres optiques (A à K) que nous avons fabriquées et évaluées. Le tableau présente ainsi l'atténuation à la longueur d'onde de 1 550 nm (dB/km), la concentration moyenne en chlore A d'âme interne (ppm en masse), la concentration moyenne en chlore B d'âme externe (ppm en masse), la concentration moyenne en chlore (ppm en masse) de l'âme entière, le rapport A/B, la concentration moyenne en potassium de l'âme entière, le diamètre d'âme (pm), la longueur d'onde de coupure (nm), et la surface effective (pm2) à la longueur d'onde de 1 550 nm. La figure 4 est un graphique traçant la concentration moyenne en chlore de l'âme entière et l'atténuation à la longueur d'onde de 1 550 nm par rapport à chacune des fibres optiques (A à K). Dans cette figure, des marques de tracé différentes sont utilisées pour A>B et A