Brevet FR3093719A1 — publié le 20200918

Description Titre de l'invention : Procédé et dispositif de fabrication d'une fibre optique. Domaine technique [0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une fibre optique. Elle concerne aussi un dispositif de fabrication d'une fibre optique. Etat de la technique antérieure [0002] Aujourd'hui, la limite de la performance de transmission des fibres optiques est fixée par les pertes par diffusion. [0003] La fibre optique à coeur creux a connu un progrès phénoménal depuis sa conception il y a presque 20 ans. Ce progrès se décline par les techniques de sa fabrication et sa performance de transmission ainsi que par les applications qui ont vu le jour suite à sa réalisation et qui couvrent des domaines divers et variés comme les télécommunications, l'optique nonlinéaire, les lasers, le micro-usinage, la physique des atomes froids ou la spectroscopie de haute résolution et les capteurs. [0004] Dans ce contexte, l'état de l'art des pertes de transmission est d'environ 0,1 dB/km à 1550 nm pour les fibres conventionnelles solides et autour de 2 à 10 dB/km pour les fibres creuses suivant le type de fibre et la gamme spectrale. [0005] Le but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif de fa- brication de fibre optique améliorant la performance de transmission desdites fibres et/ ou ayant des pertes réduites relativement à l'état de l'art actuel. Exposé de l'invention [0006] Cet objectif est atteint avec un procédé de fabrication d'une fibre optique, dans lequel : - on insert une préforme dans un four, - on étire la préforme par une sortie du four, et - on soumet une zone de travail de la préforme ainsi étirée à au moins un faisceau laser, chaque faisceau laser étant modulé en puissance selon une fréquence de modulation. [0007] La fréquence de modulation est de préférence supérieure à 10Hz et/ou inférieure à 10 kHz. [0008] Chaque faisceau laser est de préférence modulé entre une puissance maximale et une puissance minimale. De préférence, la valeur de puissance minimale est comprise entre 95% de la puissance maximale et 0% de la puissance maximale. [0009] Chaque faisceau laser peut être modulé en fréquence sur un intervalle allant de la puissance maximale jusqu'à au moins 50% de cette puissance maximale. 2 [0010] Chaque faisceau laser peut être modulé en fréquence sur un intervalle allant de la puissance maximale jusqu'à au moins 10% de cette puissance maximale. [0011] Chaque faisceau laser est de préférence modulé en puissance selon une fréquence de modulation supérieure à 100Hz. [0012] Chaque faisceau laser est de préférence modulé en puissance selon une fréquence de modulation inférieure à 1000 kHz. [0013] L'au moins un faisceau laser comprend de préférence plusieurs faisceaux laser se croisant sur la zone de travail. [0014] Chaque faisceau laser a de préférence une longueur d'onde supérieure à 200 nm et/ou inférieure à 12µm. [0015] Chaque faisceau laser a de préférence une puissance supérieure à 10 W. [0016] Chaque faisceau laser est de préférence colli maté sur la zone de travail. [0017] La préforme est de préférence une préforme en verre. [0018] La zone de travail de la préforme étirée comprend de préférence une structure composée de parois dont l'épaisseur est inférieure à 10,1m, de préférence inférieure à 3 iam, de préférence inférieure à 1µm. [0019] La partie du front d'onde de chaque faisceau laser entrant en contact de la zone de travail a de préférence, à chaque instant donné, une densité spatiale de puissance comprise entre un maximum et 80% de cc maximum. [0020] La zone de travail est de préférence située en dehors du four. [0021] Le four comprend de préférence: - une enceinte traversée par la préforme, et - une source de chaleur disposée dans l'enceinte et élevant la température à l'intérieur de l'enceinte, la zone de travail étant située à une distance inférieure à 10 cm de la source de chaleur. [0022] La zone de travail est de préférence à une température supérieure à une température de ramollissement ou de transition vitreuse du matériau composant la préforme, de préférence supérieure à 700°C, de préférence supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1500 °C. [0023] Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de fa- brication d'une fibre optique, comprenant : - un four - une entrée pour insérer une préforme dans le four, - des moyens pour étirer la préforme par une sortie du four, et - des moyens d'émission agencés pour soumettre une zone de travail de la préforme ainsi étirée à au moins un faisceau laser, et des moyens de modulation agencés pour moduler chaque faisceau laser en puissance selon une fréquence de modulation. [0024] La fréquence de modulation est de préférence supérieure à 10Hz et/ou inférieure à 10 3 kHz. [0025] Les moyens de modulation sont de préférence agencés pour que chaque faisceau laser est modulé entre une puissance maximale et une puissance minimale. La valeur de puissance minimale est de préférence comprise entre 95% de la puissance maximale et 0% de la puissance maximale. [0026] Les moyens de modulation sont de préférence agencés pour que chaque faisceau laser est modulé en fréquence sur un intervalle allant de la puissance maximale jusqu'à au moins 50% de cette puissance maximale. [0027] Les moyens de modulation sont de préférence agencés pour que chaque faisceau laser est modulé en fréquence sur un intervalle allant de la puissance maximale jusqu'à au moins 10% de cette puissance maximale. [0028] Les moyens de modulation sont de préférence agencés pour que chaque faisceau laser est modulé en puissance selon une fréquence de modulation supérieure à 10Hz. [0029] Les moyens de modulation sont de préférence agencés pour que chaque faisceau laser est modulé en puissance selon une fréquence de modulation inférieure à 1000 kHz. [0030] Les moyens d'émission sont de préférence agencés pour que l'au moins un faisceau laser comprend plusieurs faisceaux laser se croisant sur la zone de travail. [0031] Les moyens d'émission sont de préférence agencés pour que chaque faisceau laser a une longueur d'onde supérieure à 200 mn et/ou inférieure à 12 iam. [0032] Les moyens d'émission sont de préférence agencés pour que chaque faisceau laser a une puissance supérieure à 10 W. [0033] Les moyens d'émission sont de préférence agencés pour que chaque faisceau laser est collimaté sur la zone de travail. [0034] Les moyens d'émission sont de préférence agencés pour que la partie du fi-ont d'onde de chaque faisceau laser entrant en contact de la zone de travail a, à chaque instant donné, une densité spatiale de puissance comprise entre un maximum et 80% de ce maximum. [0035] La zone de travail est de préférence située en dehors du four. [0036] Le four comprend de préférence: - une enceinte traversée par la préforme, et - une source de chaleur disposée dans l'enceinte et agencée pour élever la température à l'intérieur de l'enceinte, la zone de travail étant située à une distance inférieure à 10 cm de la source de chaleur. [0037] Les moyens d'émission et le four sont de préférence agencés pour que la zone de travail est à une température supérieure à une température de ramollissement ou de transition vitreuse du matériau composant la préforme, de préférence supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1500 °C. 100381 Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé une fibre obtenue par un procédé selon l'invention ou par un dispositif selon l'invention (à partir de la préforme). Description des figures et modes de réalisation 100391 D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la des- cription détaillée de mises en oeuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants : [0040] [fig.l] la figure 1 est une vue schématique de coupe de profil d'un premier mode de réalisation de dispositif 101 selon l'invention, dans lequel passe une préforme 1, [0041] [fig.2] la figure 2 est une vue schématique de coupe de dessus de la préforme 1 au niveau d'une zone de travail 4, [0042] [fig.3] la figure 3 est une vue schématique de profil de la préforme 1 au niveau de la zone de travail 4, [0043] [fig.4] la figure 4 est un agrandissement de la partie 10 de la figure 3 et est une vue schématique de coupe de profil d'une paroi 7 de la préforme 1 au niveau de la zone de travail 4 avec (figure 4a) et sans (figure 4h) mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention, et [0044] [fig.5] la figure 5 est une vue schématique de profil de la préforme 1 au niveau de la zone de travail 4 dans une variante de procédé selon l'invention. [0045] Ces modes de réalisation étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites ou illustrées par la suite isolées des autres caractéristiques décrites ou illustrées (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, et/ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou à différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. [0046] On va tout d'abord décrire, en référence aux figures 1 à 5, un premier mode de réa- lisation de dispositif 101 de fabrication d'une fibre optique selon l'invention. [0047] Le dispositif 101 comprend un four 2. Le four 2 est par exemple une fournaise pour étirage de fibre chez Nextrom. [0048] Le four 2 comprend une entrée 21 agencée pour insérer une préforme 1 (typiquement une canne de verre) dans le four 2. Le dispositif 101 comprend en outre du côté de l'entrée 21 des moyens de maintien (non illustrés) agencés pour maintenir une première extrémité de la préforme 1 du côté de l'entrée 21. Ces moyens de maintien consistent par exemple en un mandrin posé sur une platine de translation. [0049] Le dispositif 101 comprend des moyens pour étirer la préforme 1 par une sortie 3 du four 2, le long d'une direction d'étirement 30. Ces moyens, non illustrés, comprennent typiquement deux courroies en vis-à-vis disposées du côté de la sortie 3 du four 2, et où la fibre étirée est placée entres les deux courroies pour étirage avec une vitesse ajustablc. [0050] L'entrée 21 et la sortie 3 sont situées à deux extrémités opposées du four 2 le long de la direction 30. [0051] Le dispositif 101 comprend des moyens d'émission agencés pour soumettre, après la sortie 3 du four 2, une zone de travail 4 de la préforme 1 ainsi étirée à au moins un faisceau laser 5. Ces moyens d'émission comprennent typiquement une ou plusieurs sources lasers, et éventuellement des moyens optiques complémentaires pour mettre en forme et/ou diviser et/ou regrouper un ou plusieurs dc l'au moins un faisceau laser 5. [0052] Les moyens d'émission sont agencés pour que l'au moins un faisceau laser 5 comprend plusieurs faisceaux laser 5 se croisant sur la zone dc travail 4. [0053] Les moyens d'émission sont agencés pour que chaque faisceau laser a une longueur d'onde supérieure à 200 nm et/ou inférieure à 12µm. [0054] Les moyens d'émission sont agencés pour que chaque faisceau laser a une puissance maximale 6 supérieure à 10 W. [0055] Les moyens d'émission sont agencés pour que chaque faisceau laser soit collimaté sur la zone de travail 4. [0056] Les moyens d'émission sont agencés pour que la partie 8 du front d'onde de chaque faisceau laser 5 entrant en contact de la zone de travail 4 ait, à chaque instant donné, une densité spatiale de puissance comprise entre un maximum et 80% de ce maximum. [0057] Dans l'exemple illustré en figure 1, on utilise quatre sources laser continues de référence YRL de chez IPG et agencées pour émettre quatre faisceaux laser 51, 52, 53, 54. [0058] Le dispositif 101 comprend en outre des moyens de modulation agencés pour moduler chaque faisceau laser 5 en puissance selon une fréquence de modulation. Ces moyens de modulation sont ou bien déjà fournis dans le laser ou par un modulateur d'intensité par voie électrooptique et/ou acousto-optique et/ou par une roue dentée tournante. [0059] La fréquence de modulation est : [0060] - supérieure à 10Hz, de préférence supérieure à 100Hz et [0061] - inférieure à 10 kHz, de préférence inférieure à 1000 kHz. [0062] Les moyens de modulation sont agencés pour que chaque faisceau laser 5 soit modulé entre la puissance maximale 6 et une puissance minimale de telle façon que la valeur de puissance minimale est comprise entre 95% de la puissance maximale et 0% de la puissance maximale, de préférence entre 95% de la puissance maximale et 10% 6 de la puissance maximale. Plus précisément, les moyens de modulation sont agencés pour que chaque faisceau laser est modulé en fréquence sur un intervalle 9 allant de la puissance maximale 6 jusqu'à 50% ou moins de cette puissance maximale. Plus précisément, les moyens de modulation sont agencés pour que chaque faisceau laser est modulé en fréquence sur un intervalle 9 allant de la puissance maximale 6 jusqu'à 10% ou moins de cette puissance maximale. [0063] La zone de travail 4 est située en dehors du four 2. [0064] La zone de travail 4 est située du côté de la sortie 3 du four 2. [0065] Le four 2 comprend : [0066] - une enceinte 31 traversée par la préforme, et [0067] - une source de chaleur 32 disposée dans l'enceinte 31 et agencée pour élever la tem- pérature à l'intérieur de l'enceinte 31. [0068] La zone de travail 4 est située à une distance 43, mesurée le long de la direction 30, typiquement inférieure à 10 cm de la source de chaleur 32. [0069] Les moyens d'émission et le four 2 sont agencés, notamment par les positions relatives du four 2 et de l'au moins un faisceau(x) 5, pour que la zone de travail 4 soit à une température supérieure à une température de ramollissement ou de transition vitreuse du matériau composant la préforme 1, de préférence supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1500 °C. [0070] La température de transition vitreuse est par exemple de : [0071] - 150°C pour du Chalcogenide GeSbTe, [0072] - 245°C pour du Chalcogenide AsGeSeTe, [0073] - 235°C pour du Ven-e au fluorure ZBLAN, [0074] - 280°C pour du Tellurium dioxide, [0075] - 400°C pour du Fluoroalurninate, [0076] - 1200°C pour du Quartz fondu. [0077] Ainsi, l'invention est un procédé et un dispositif de fournaise opto-thermique permettant la réduction de l'effet de diffusion par l'inhomogénéité de la densité du verre par effet de photo-absorption. [0078] La préforme 1 est trompée dans le four thermique 2 typiquement résistif ou inductif. Une section de la préforme 1 passe d'abord par la zone de chauffe 31 du four 2 et ensuite, par effet d'écoulement, dans la section optique où la section chauffée 4 de la préforme 1 est excitée par l'au moins un faisceau laser 5. [0079] On va maintenant décrire, en référence aux figures 1 à 5, un premier mode de réa- lisation de procédé selon l'invention mis en oeuvre par le dispositif 101. [0080] Dans ce mode de réalisation de procédé de fabrication d'une fibre optique : - on insert la préforme 1 dans le four 2, [0081] - on étire la préforme 1 par la sortie 3 du four 2, et 7 [0082] - on soumet, après la sortie 3 du four 2, la zone de travail 4 de la préforme 1 ainsi étirée à l'au moins un faisceau laser 5, chaque faisceau laser 5 étant modulé en puissance selon la fréquence de modulation. [0083] La fréquence de modulation est : [0084] - supérieure à 10Hz, de préférence supérieure à 100Hz et [0085] - inférieure à 10 kHz, de préférence inférieure à 1000 kHz. [0086] Chaque faisceau laser 5 est modulé entre la puissance maximale 6 et une puissance minimale de telle façon que la valeur de puissance minimale est comprise entre 95% de la puissance maximale et 0% (ou de préférence 10%) de la puissance maximale. De préférence, chaque faisceau laser est modulé en fréquence sur un intervalle 9 allant de la puissance maximale 6 jusqu'à 50% ou moins de cette puissance maximale. De préférence chaque faisceau laser 5 est modulé en fréquence sur un intervalle 9 allant de la puissance maximale 6 jusqu'à 10% ou moins de cette puissance maximale. [0087] L'au moins un faisceau laser 5 comprend plusieurs faisceaux laser 5 se croisant sur la zone de travail 4. [0088] Chaque faisceau laser 5 a une longueur d'onde supérieure à 200 nm et/ou inférieure à 12 pm. [0089] Chaque faisceau laser 5 a une puissance maximale 6 supérieure à 10 W. [0090] Chaque faisceau laser 5 est collirnaté sur la zone de travail 4. [0091] De préférence, l'au moins un faisceau 5 comprend N faisceaux 5 répartis autour de la zone 4 dans un plan perpendiculaire à la direction 30 avec des angles de séparation réguliers de 27c/N (N étant un entier naturel). [0092] Selon la variante considérée, l'au moins un faisceau 5 peut donc comprendre : [0093] - un seul faisceau 5, 51 (figure 2) [0094] - deux faisceaux 51, 52 (figure 3) de préférence se faisant face [0095] - trois faisceaux 51, 52, 53 (figure 5) de préférence répartis autour de la zone 4 avec des angles réguliers de 2n/3 [0096] - quatre faisceaux (figure 1) de préférence répartis autour de la zone 4 avec des angles réguliers de 7c/2, [0097] - ou encore plus de faisceaux 5, plus le nombre de faisceaux 5 étant grand, meilleure étant l'homogénéité d'illumination de la zone 4. [0098] La préforme 1 est une préforme en verre, par exemple de type silice. [0099] La zone de travail 4 de la préforme étirée 1 est une fibre optique microstructurée. [0100] La zone de travail 4 de la préforme étirée 1 comprend une structure (par exemple de type Kagome) composée uniquement de parois 7 (de ven-e, illustrées en blanc sur fond noir sur les figures 2 et 5) dont l'épaisseur est inférieure à 10pm, de préférence in- férieure à 3 de préférence inférieure à 1 pm. [0101] La partie 8 du front d'onde de chaque faisceau laser 5 entrant en contact de la zone 8 de travail 4 a, à chaque instant donné, une densité spatiale de puissance comprise entre un maximum et 80% de cc maximum. [0102] La zone de travail 4 est située en dehors du four 2, du côté de la sortie 3. [0103] La zone de travail 4 est située à une distance 43 inférieure à 10 cm de la source de chaleur 32. [0104] La zone de travail 4 est à une température supérieure à une température de ramol- lissement ou de transition vitreuse du matériau composant la préforme 1, de préférence supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1500 °C. [0105] L'invention permet de limiter la fluctuation de densité locale pour les fibres optiques solides conventionnelles et la rugosité de surface pour les fibres microstructurécs à coeur creux, ducs à un phénomène hydrodynamique lors de l'étirage de la fibre et qui induisent des pertes par diffusion de lumière et donc une limite de la performance de transmission des fibres optiques. [0106] Pendant la fabrication de la fibre optique, la préforme 1 est insérée dans le four 2 et chauffée à une température telle que le verre subit une transition de phase et devient viscoélastique. Ce verre « liquide » est ensuite étiré en fibre optique. Pendant cette phase liquide, le verre est le lieu d'une fluctuation de masse ou de densité qui peut être présentée comme une composition stochastique d'ondes phononiqucs. Lors de cet étirage le verre subit une deuxième transition de phase passant du liquide à la phase solide, et les fluctuations citées ci-dessus sont « gelées ». Dans le cas de la fibre solide conventionnelle, ces fluctuations gelées prennent la forme d'inhomogénéités nanométriques dans la matrice du verre. Ces dernières induisent une diffusion de la lumière guidée et fixent une limite aux pertes de transmission qui est d'environ 0.1 dB/km à 1550 nm et évolue avec la longueur d'onde. Dans le cas des fibres creuses (fibre optique guidant dans un coeur creux), les fluctuations gelées résultent d'ondes surfaciques, appelée ondes capillaires, et prennent la forme d'une rugosité de surface illustrée sur la figure 4.b en cas d'absence de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, i.e. sans les faisceaux 5. Cette rugosité induit aussi une diffusion de lumière dont l'amplitude est proportionnelle au taux de recouvrement de la lumière dans le coeur avec le contour de verre et à l'amplitude de rugosité de surface. Aujourd'hui, cette diffusion est une limite de l'état de l'art des fibres creuses. [0107] Au contraire, après mise en oeuvre de ce procédé selon l'invention, on a comme illustré sur la figure 4.a une réduction de rugosité de surface par modulation de l'indice et de masse, les faisceaux 5 excitant la surface ou la matrice à traiter et modulant ainsi l'indice et/ou la densité par effet de photo-absorption. [0108] Les figures 4.a et 4.b ne sont que schématiques. En réalité, les rugosités (i.e. les « bosses) sont moins hautes et plus « lisses » ou moins chaotiques sur la figure 4.a par rapport à la figure 4.b 9 [0109] Des travaux ont montré que pour les fibres creuses guidant par Couplage-Inhibé, type Kagomc ou tubulaire, les pertes peuvent être aussi bas que 10-2à 10-3 dB/km dans la gamme spectrale du Visible à l'UV si la rugosité de surface est fortement réduite. [0110] Dc même, pour les fibres conventionnelles (ex. fibre pour telecom), réduire la fluctuation de densité peut faire baisser les plus basses pertes actuelles de 0.1 dB/km par un facteur 10. [0111] L'invention adresse donc une problématique capitale pour la fibre optique à coeur creux ou les fibres solides conventionnelles. [0112] Dans un exemple particulier : [0113] - la préforme est en silice à coeur creux avec une gaine microstructurée de type Kagomc et a à l'entrée 21 un diamètre externe de 40 mm [0114] - l'enceinte du four 2 est chauffée à 1900°C [0115] - la zone de travail est à une température d'environ 500°C [0116] - la préforme 1 est étirée, du côté de la sortie 3, à une vitesse de 15 m/min [0117] - chaque faisceau laser 5 a une longueur d'onde de 1060 nm, avec une fréquence de modulation de 220 Hz entre une puissance maximale de 80 W et une puissance minimale de 30 W. [0118] La fibre optique obtenue a une excellente perte de transmission. [0119] L'invention permet d'obtenir une fibre creuse avec des pertes plus basses que l'état de l'art actuel et consolidera ses applications dans les secteurs comme : [0120] 1. Micro-usinage par laser : La fibre obtenue selon la présente invention permet un acheminement flexible et sécurisé de faisceau laser de haut flux. [0121] 2. Compression d'impulsion laser : La fibre obtenue selon la présente invention permet de comprimer des impulsions laser par une simple optimisation de la longueur de fibre et le choix du gaz à introduire dans le coeur de la fibre. [0122] 3. Chirurgie : La fibre obtenue selon la présente invention permet un acheminement flexible et sécurisé de faisceau laser pour des opérations endoscopiques ou de type Lasik. [0123] 4. Traitement de cellule : La fibre obtenue selon la présente invention permet un acheminement flexible et sécurisé de faisceau laser ultra-bref pour détruire de façon ciblée et sans dépôt de chaleur des cellules cancéreuses. [0124] 5. Laser à gaz : La fibre obtenue selon la présente invention et dont le coeur est rempli d'un gaz actif permet d'être utilisé comme un milieu de gain laser. [0125] 6. Etalon de fréquence : La fibre obtenue selon la présente invention et dont le coeur est rempli d'un gaz (e.g. acétylène , vapeur Rb ou Cs) permet d'être utilisée comme un étalon de fréquence. [0126] 7. Imagerie THZ : Le guide THZ obtenu selon la présente invention permet un ache- minement flexible et sécurisé de radiation THZ, et de collecte de radiation THZ pour l'imagerie. [0127] 8. Guide d'onde pour le THZ et le micro-onde : Le guide obtenu selon la présente invention permet un guidage THZ et/ou micro-onde tnonomodal et à faibles pertes de transmission. [0128] 9. Telecomuunication « low latency » dans les « data centres ». [0129] Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de invention. [0130] Dans une variante, la préforme 1 n'est pas creuse ou microstructurée niais peut être une fibre de verre pleine. [0131] Bien entendu, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réa- lisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. 11 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11]