FR2468558A1 - Procede de fabrication d'une preforme de fibre optique en silice dopee, produit obtenu et fibre optique resultant de l'etirage de cette preforme - Google Patents
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Abstract
Procéde de fabrication d'une préforme de fibre optique par déposition en phase vapeur des verres appropriés 32, 33 à l'intérieur d'un tube de silice 30 puis chauffage du tube pour donner une préforme cylindrique pleine, préforme et fibre optique monomode obtenues par ce procédé. L'invention permet la fabrication d'une fibre optique monomode dans la gamme des longueurs d'ondes de 1,5 à 1,7 mu m, en utilisant un verre de revêtement d'indice de réfraction plus élevé que celui du tube de silice 30, du fait que les modes de revêtement sont évités par la déposition préalable d'une couche optiquement absorbante 31 faite de silice dopée avec B 2 O3 ou P2 O5 , ou avec ces deux oxydes et dont l'indice de réfraction est adapté à celui du verre de revêtement 32. Application à la fabrication de fibres optiques monomodes pour les systèmes de communications optiques.
Description
La présente invention s'applique à la fabrication de préformes de fibres
optiques et des fibres optiques obtenues par étirage de ces préformes. Elle couvre particulièrement la fabrication de fibres optiques à mode unique capables de fonctionner dans la gamme de longueurs d'ondes (dans le vide) de 1,5 à 1,7?m et possédant un coeur
et un rev8tement optique en silice dopée dépos6e en phase gazeuse.
s Un des avantages particuliers offert- par l'emploi de silice comme matériau de base pour la fabrication de fibres optiques est que celle-ci peut être obtenue par un procédé de réaction en phase gazeuse, d'une manière permettant un contr8le précis des teneurs de tous autres matériaux incorporés à la silice. Ceci est particulièrement important en fonction du fait que certaines impuretés, à des concentrations inférieures à 1 partie par million, peuvent encore avoir des effets sensibles sur les pertes de transmission dans la fibre. Dans l'une des méthodes de fabrication les plus intéressantes, les matériaux destinés à former le verre du revêtement et le verre du coeur sont déposés par réaction en phase gazeuse sur la face interne d'un tube-support en silice; ce tube est ensuite affaissé et le barreau plein obtenu est étiré en fibres. Des méthodes pour la production de fibres à mode unique ont, par exemple, été'décrites par T. Miya et al. dans 'Electronic
Letters" du 15 Février 1979 (volume 15, n 4, pp. 106-8) et par B.J.
Ainslie et al. dans "Electronics Letters' du 5 Juillet 1979 (volume 15, n 14, pp. 411-3). Dans ces deux cas, le matériau utilisé pour former le revêtement optique possédait une composition choisie pour obtenir un indice de réfraction correspondant à celui du tube-support en silice sur lequel on avait déposé le verre de revêtement. La similarité entre ces indices évite la formation d'une structure qui supporterait des modes de revêtement (modes guidés par l'interface entre le revêtement et le support) en plus du mode unique d6siré transmis par le coeur. Lorsque l'on utilise le processus de réaction en phase gazeuse pour déposer les verres de coeur et de revêtement sur la face interne d'un tube-support, il est généralement preférable d'utiliser de la silice non dopée comme matière première de réalisation du tube, car son point de fusion relativement élevé facilite la prévention de déformations inacceptables du tube quand des températures élevées sont utilisées durant le processus de déposition. Dans ces circonstances, le fait de faire correspondre l'indice du matériau de revêtement optique avec celui du tube-support entralne l'imposition d'une valeur spécifique de l'indice
de réfraction du revêtement.
La pr6sente invention concerne les structures permettant
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l'emploi d'un revêtement optique dont l'indice ne correspond pas à celui du tube-support et permet donc une plus grande souplesse de conception, notamment en ce qui concerne l'ouverture numérique et la possibilité d'équilibrer la dispersion dans le matériau avec la dispersion dans le guide d'onde afin d'obtenir une dispersion totale nulle. La présente invention fournit une méthode de réalisation d'une préforme de fibre optique caractérisée par le fait qu'une couche d'absorption optique en silice dopée, comprenant des oxydes de bore et/ou de phosphore et présentant un indice supérieur à celui.de la silice, est déposée par réaction en phase gazeuse sur la face interne d'un tube-support en silice, une couche de revêtement transparente en silice dopée, comprenant du germanium et présentant un indice de réfraction inférieur., égal ou légèrement supérieur à celui de la couche d'absorption, est déposée sur la couche d'absorption par réaction en phase gazeuse, une couche de coeur transparente en silice dopée, comprenant du germanium et présentant un indice de réfraction supérieur celui de la couche de revêtement, est déposée sur la couche de revêtement par réaction en phase gazeuse, chacune desdites réactions en phase-gazeuse étant une réaction d'o l'on exclut l'hydrogène et ses composés, le tube ainsi revêtu est affaissé de manière à %atenir une préforme de fibre optique de section pleine et les quantités et compositions relatives des verres déposés pour constituer le revêtement et le coeur d'une fibre optique sont telles que l'on puisse obtenir une fibre optique à mode unique par étirage de la préforme, cette fibre pouvant fonctionner en mode unique sous des longueurs d'ondes sélectionnées de 1,5 à 1,7 pm dans le vide et la quasi-totalité de la puissance optique associée au champ évanescent dudit mode unique se
propageant dans ledit revêtement optique.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la
description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif en se
reportant aux figures annexées qui représentent - La figure 1: la caractéristique spectrale d'une fibre à mode multiple à gradient d'indice; - La figure 2 la caractéristique spectrale d'une fibre à mode unique; - La figure 3 une section. schématique d'un tube-support revêtu intérieurement avant qu'il ne soit affaissé pour obtenir une
préforme à partir de laquelle on étirera une fibre. optique.
Afin d'éviter le guidage des modes de revêtements l'indice de 44 réfraction de la- couche de revêtement est rendu égal ou inférieur-] celui de la couche absorbante qui l'entoure. Les modes de revêtement seront guidés si ltindice de réfraction de la couche de revêtement est supérieur à celui de la couche d'absorption mais, si cet indice n'est pas sensiblement supérieur, une fraction significative de la puissance optique de tout mode de revêtement se propagera dans le champ évanescent présent dans la couche d'absorption. Dans ces conditions, l'atténuation des modes de revêtement est si élevée qu'il est possible de tolérer la
présence d'une structure de guidage des ondes des modes de revêtement.
De mime, l'interface entre la couche d'absorption et le support réalise une structure de guidage d'ondes mais, également dans ce cas, l'atténuation de la couche d'absorption évite toute propagation sensible
des modes non désirés.
Un des facteurs importants affectant la transmission optique dans les fibres produites par déposition de vapeurs sur la face interne
d'un tube est le niveau de contamination par les groupements hydroxyles.
Si l'eau est un des produits de la réaction en- phase gazeuse utilisée pour la déposition, de tels groupements peuvent devenir directement intégrés au matériau déposé. Dans le cas prisent, cette source de contamination est éliminée en sélectionnant des réactions en phase gazeuse d'o l'hydrogène et ses composts sont exclus. Une classe de réactions appropriées entralne l'oxydation directe des halogénures ou oxyhalog9nures par l'oxygène. Dans ce but, les réactifs peuvent être entrainés par l'oxygène et s'écouler le long du tube-support. La réaction ne se produit pas à la température ambiante mais peut être provoquée dans une région localisée à haute température produite, par exemple, au moyen d'une flamme oxygène/hydrogène. Cette zone est déplacée lentement un certain nombre de fois le long du tube afin de réaliser une épaisseur uniforme de dépôt optique transparent sur sa longueur. Le matériau du tube-support peut être contaminé de manière relativement importante par les groupements hydroxyles et la couche d'absorption remplit la fonction supplémentaire de barrière de diffusion afin de limiter la diffusion des groupements hydroxyles depuis le tube-support vers les verres de revêtement et de coeur. C'est pourquoi il est recommandé de choisir, pour la couche d'absorption, une' composition optique pouvant tre déposée à dés températures relativement basses et à grande vitesse. On a observé que l'oxydation directe du tétrachlorure de silicium par l'oxygène se produit à une vitesse relativement lente et qu'une température de déposition relativement
Elevée est nécessaire pour produire un dép8t fondu transparent.
i - X:: - L:.....
Z468558-:
- -:i _..- Cependant, on peut augmenter la vitesse de déposition en codéposant la silice avec un ou plusieurs oxydes de bore, de phosphore ou de germanium et on peut utiliser une température de déposition plus basse pour
produire le dép8t fondu transparent désiré.
La production de silice dopée par une méthode comportant la déposition, hors hydrogène, sur la face interne d'un tube-support en silice, produit des fibres dont les caractéristiques spectrales présentent une atténuation générale chutant lorsque la longueur d'onde augmente dans la plage de 0,7 à 1,3Nm. Cette chute est attribuée aux effets de la dispersion de Rayleigh. Un certain nombre de crêtes d'absorption, attribuées à des quantités résiduelles d'hydroxyles contaminants sont superposées à cette chute globale. Ces crêtes d'absorption ont lieu pour 0,95 - 1,25 et 1,4am. Une autre fenêtre de faible atténuation, pouvant aller jusqu'à 1,8 em, se trouve au-delà de la crête de 1,4psm. Plus loin, 1' --ténuation commence à remonter en raison de phénomènes différents d'absorption associés à la silice et aux dopants introduits volontairement dans cette dernière. La crête fondamentale d'absorption des vibrations de la liaison Si-O se trouve à 0,9 m mais sa queue d'absorption s'étend jusqu'à la région comprise entre 1,0 et 2,0 m. Les liaisons B-O, P-O et Ge-O montre.c des crêtes d'absorption similaires à 7, 3 - 8,0 et 11 m respectivement. En raison de ces crêtes d'absorption différentes associées à ces liaisons, on a découvert que l'étendue et la profondeur des fenêtres dans la région située immédiatement au-delà de la crête d'absorption des groupements hydroxyles à 1,4ktm dépendent fortement de la composition du matériau
dans lequel l'énergie optiaue se propage.
La figure 1 montre la caractéristique spectrale d'une fibre à mode multiple à gradient d'indice, possédant un coeur en silice dopée principalement avec du germanium mais comprenant également environ 1 mole Z d'oxyde de phosphore. Le revêtement est en silice dopée à l'oxyde de bore. La figure 2 montre la caractéristique spectrale d'une fibre à mode unique avec coeur en silice dopée au germanium et revêtement en silice dopée aux oxydes de bore et de phosphore pour obtenir un indice similaire à celui de la silice non dopée. Une comparaison entre ces deux caractéristiques montre que la fenêtre située au-delà de 1,4am de la fibre de la figure 1 est comparativement large et profonde car l'énergie optique se propage presque exclusivement dans le matériau du coeur, alors que la fenêtre correspondante de la fibre de la figure 2 est moins profonde et plus étroite car une partie significative de l'énergie optique se propage dans le revêtement,
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passer le long du tube. On -utilise ainsi un certain nombre de passages pour accumuler une couche de revêtement d'une épaisseur adéquate. La température de la flamme et sa vitesse de-passage sont contr8lées soigneusement afin d'obtenir une chaleur juste suffisante pour assurer que le dépôt formé sera bien une couche de verre cohérente et transparente.
On modifie ensuite la composition et la proportion relative -
des réactifs afin de déposer une couche 32 qui formera le matériau du revêtement optique de la fibre terminée. Cette couche 32 consiste en une couche de silice dopée principalement au germanium, contenant habituellement de 1 à 2 mole Z de germanium et ne comprenant généralement pas plus d'environ 1 mole Z d'oxyde de phosphore mais ne contenant pas d'oxyde de bore. La petite quantité d'oxyde de phosphore (valeur-type: environ 0,2 mole Z) est conservée car, à cette concentration, l'absorption produ'te ne présente pas d'inconvénient
sérieux et présente l'avantage de permettre d'abaisser la température à-
laquelle la couche peut être déposée sous une forme vitreuse transparente. Une température de déposition excessive doit être évitée car ceci entratne des problèmes de déformation du tube-support durant le
processus de déposition.
Après déposition de la couche 32, qui est conduite comme celle de la couche 31, on modifie encore une fois la composition des réactifs pour la déposition de la couche 33. Cette dernière est la couche dont le matériau formera le coeur de la fibre-optique terminée et comporte une proportion plus élevée de germanium de dopage afin d'obtenir l'augmentation nécessaire de l'indice de réfraction par rapport à celui de la couche 32. Généralement, la composition de la couche du coeur 33 possède environ 4 mole % de germanium en plus que la couche de revêtement 32 et la même concentration en oxyde de
- 30 phosphore.
On affaisse ensuite le tube revêtu afin de former une préforme de fibre optique de section pleine. Ceci est obtenu en utilisant une flamme à température plus élevée afin de ramollir la paroi du tube de façon qu'il s'affaisse sous les effets de la tension superficielle. On emploie plusieurs passages de la flamme pour obtenir
un affaissement complet du tube et-, durant les phases initiales de cet -
affaissement, il est préférable de continuer à faire passer un courant de tétrachlorure de germanium et d'oxygène au travers du tube, en-partie pour remplacer le dopant perdu par volatilisation et en partie pour réàliser -une légère surpression à-V'intirieur du tube pour garantir--que la symétrie circulaire est bien conservée durant le processus d'affaissement. La manière préférentielle de réalisation de cet affaissement est décrite en détail dans la demande de Brevet Britannique
no 12431/77.
La préforme résultante peut être stockée jusqu'au moment oe il faudra étirer la fibre. On l'installe alors verticalement dans une tour d'étirage et on l'abaisse dans un four à température contrôlée pendant que l'on étire la fibre depuis son extrémité inférieure ramollie par la chaleur. Il est préférable de faire passer la fibre résultante directement dans un bain de revêtement afin d'obtenir un film protecteur en plastique, protégeant la surface fraîchement étirée des attaques
atmosphériques et du contact direct avec d'autres corps pouvant -
1'endommager. Dans un exemple-type, l'épaisseur des couches déposées sur le tube 30 est choisie afin d'obteni_ un diamètre du coeur optique de 6,5 fm, un diamètre du revêtement optique de 45 Pom, un diamètre de la couche d'absorption de 65 bm et un diamètre hors-tout de 125 e (film protecteur
non compris).
Il est bien évident que la description préc&dente n'a été
faite qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres variantes
peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention.
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MMENICATIONS
-1. Procédé de fabrication d'une préforme de fibre optique constituée par un barreau cylindrique plein obtenu en tchauffant un tube de silice revêtu intérieurement des différentes couches de verre, notamment les couches de coeur et de revêtement correspondant 'à la structure de fibre optique recherchée, l'affaissement des parois ramollies du tube entratnant sa contraction symétrique autour de son axe jusqu'à l'obtention de ladite préforme 'à section pleine, caractérisé par le fait- qu'une couche d'absorption optique en silice dopée comportant des oxydes de bore et/ou de phosphore et possédant un indice de réfraction supérieur à celui, de la silice est déposée, par réaction en phase gazeuse, sur la face interne dudit tube de silice, une couche de revêtement transparente en silice dopée comportant du germanium et présentant un indice de réfraction inférieur, égal ou légèrement supérieur à celui de la couche d'absorption est déposée sur cette dernière couche par réaction en phase gazeuse, une couche de coeur transparente en silice dopée comportant du germanium et possédant un indice de réfraction supérieur à celui de'la couche de revêtement est déposée sur cette dernière couche par réaction en phase gazeuse, chacune desdites réactions en phase gazeuse étant une réaction d'o l'hydrogène et ses composés sont exclus, la face interne du tube ainsi revêtu est affaissée pour former ladite préforme de fibre optique à section pleine, les quantités et compositions relatives des verres déposés pour constituer le rev&tement et le coeur d'une fibre optique étant telles que l'on puisse, à partir de ladite préforme, étirer une fibre optique à mode unique capable de fonctionner en mode unique 'à des longueurs d'onde s4lectionnées entre 1,5 et 1,7 M dans le vide et que la quasi-totalité de la puissance optique associée au champ évanescent dudit mode unique
se propage dans ledit revêtement optique.
2. Préforme de fibre optique réalisée selon le procédé décrit dans la revendication 1, caractérisée par le fait que la couche d'absorption optique est en silice dopée essentiellement ou
exclusivement avec des oxydes de bore et de phosphore.
3. Fibre optique caractérisée par le fait qu'elle est obtenue
par étirage d'une préforme réalisée selon la revendication 1 ou 2.
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