EP4260107A1 - Fibre optique a base de silice resistante aux radiations - Google Patents

Fibre optique a base de silice resistante aux radiations

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Publication number
EP4260107A1
EP4260107A1 EP21815185.0A EP21815185A EP4260107A1 EP 4260107 A1 EP4260107 A1 EP 4260107A1 EP 21815185 A EP21815185 A EP 21815185A EP 4260107 A1 EP4260107 A1 EP 4260107A1
Authority
EP
European Patent Office
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optical fiber
coating
sheath
fiber
radiation
Prior art date
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Pending
Application number
EP21815185.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Guy Cheymol
Ayoub LADACI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4260107A1 publication Critical patent/EP4260107A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02395—Glass optical fibre with a protective coating, e.g. two layer polymer coating deposited directly on a silica cladding surface during fibre manufacture
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02319—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by core or core-cladding interface features
    • G02B6/02323—Core having lower refractive index than cladding, e.g. photonic band gap guiding
    • G02B6/02328—Hollow or gas filled core
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
    • H01S3/06716—Fibre compositions or doping with active elements

Definitions

  • the invention lies in the field of silica-based optical fibers, and more specifically silica-based optical fibers intended for use in a radiative environment such as in a space environment or in a nuclear environment.
  • the invention may relate to undoped, radiation-resistant optical fibers for the transmission of optical signals.
  • the invention may also relate to doped optical fibers which are resistant to radiation, in particular for amplifier, amplified spontaneous emission source or fiber laser applications.
  • the invention relates to a silica-based optical fiber.
  • silica-based optical fiber means an optical fiber which may also comprise elements other than silicon (germanium, phosphorus, aluminium, boron , fluorine, etc. and/or nitrogen and which can be doped or undoped.
  • optical fibers There are two major classes of optical fibers, the so-called “passive” undoped fibers and the so-called “active” doped fibers.
  • a passive fiber is defined as an optical fiber transmitting an optical signal without modifying it.
  • an active fiber is defined as an optical fiber transmitting an optical signal by modifying it, for example by amplifying it.
  • An active fiber can find applications as an erbium-doped fiber amplifier (designated “EDFA” for “Erbium Doped Fiber Amplifier”), an amplified spontaneous emission source (designated “ASE” for “Amplified Spontaneous Emission”) or a fiber.
  • EDFA erbium-doped fiber amplifier
  • ASE amplified spontaneous emission source
  • an optical fiber When an optical fiber is exposed to ionizing radiation, such as electrons, neutrons, X-rays and/or y-rays, a degradation of its optical performance is observed, in particular an increase in the linear attenuation of the optical fiber (designated “radiation induced attenuation” or “RIA” for “Radiation Induced Attenuation”) which can reach a few dB per linear meter.
  • ionizing radiation such as electrons, neutrons, X-rays and/or y-rays
  • RIA for “Radiation Induced Attenuation”
  • Such an attenuation can be of the order of 1 to 10dB per linear meter, for example 3dB corresponding to a loss of 50%.
  • the power loss occurs because the chemical bonds that make up the fiber optic core are disrupted by the radiation energy, causing new electronic transition states to appear causing additional absorption in the wavelength regions. associated with said electronic transitions.
  • fibers are generally designed whose composition and spectral operating ranges are best suited to the environment for which they are intended.
  • fibers whose core, vector of the transport of the light beam, is made of ultrapure silica with a very low level of impurity.
  • low fluorine doping can help limit radiation-induced attenuation, as described in “Radiation resistance offluorine-doped silica-core fibers”, K. Sanada, N. Shamoto, and K. Inada, proc. First PAC RIM Meet. Glass Opt. Mater., vol. 179, p. 339-344, Nov. 1994, doi: 10.1016/0022-3093(94)90714-5.
  • the active fibers it is possible to choose fibers with a (co)doping in phosphorus and/or in aluminum in order to give the fiber a high optical efficiency and to make it active.
  • this doping makes the fiber much more sensitive to radiation than the passive fibers mentioned above (several orders of magnitude of additional loss in the InfraRed (IR) and visible).
  • IR InfraRed
  • patent application FR3008194 describes a process for manufacturing an optical fiber resistant to radiation comprising the following steps: a) manufacturing a silica optical fiber preform; b) formation in the preform of a longitudinal cavity; c) fiber drawing of said preform so as to form an optical fiber (1) comprising a core (2), an optical cladding (6) and at least one longitudinal cavity (3) having at least one opening (13) at one end of the optical fiber (1); d) application, during step c) of fiber drawing, of a gas-tight coating (4); e) exposure of the optical fiber (1) to a gaseous substance, preferably comprising gaseous hydrogen and/or gaseous deuterium, so as to incorporate said gaseous substance into the silica via said opening (13); f) closing any opening (13) at both ends of the optical fiber (1).
  • a gaseous substance preferably comprising gaseous hydrogen and/or gaseous deuterium
  • the obtained silica optical fiber illustrated in FIGS. 3 A and 3B comprises:
  • hermetic coating (4) to gas diffusion which is typically a thin layer of carbon or metal.
  • Said silica optical fiber comprises in the at least one cavity (3) a determined concentration of gas, preferably among gaseous hydrogen and/or gaseous deuterium.
  • the thin layer of carbon or metal of the order of one nanometer to a few tens of nanometers, remains hermetic under the effect of radiation and temperature, in particular for long periods of use.
  • a coating with a thin layer of carbon or metal cannot be achieved on all types of fibers (such as polymer-sheathed fibers or double-sheathed fibers). Indeed, making a metallic coating on a polymer sheath can generate a risk of melting and damaging the sheath, and it is difficult or even impossible to hold a carbon coating on a polymer sheath.
  • the quantity of hydrogen included in the heart of the fiber is complicated to control in this process.
  • the invention aims to overcome the aforementioned drawbacks of the prior art.
  • the invention aims to improve the performance of an optical fiber subjected to radiation, while maintaining its performance before the optical fiber is subjected to radiation, and this, for the longest possible period of use. .
  • the invention aims in particular to be able to use an optical fiber in radiative media.
  • the invention also aims to improve the performance of any type of silica-based optical fiber, whether doped or undoped and regardless of the dopant(s) and the materials of the core and sheath.
  • the object of the invention making it possible to remedy these drawbacks is a radiation-resistant silica optical fiber comprising:
  • Radiolysis is a known phenomenon which consists of the release of hydrogen under the effect of ionizing radiation in certain materials, in particular polymers.
  • the rate of hydrogen generation per unit mass and per irradiation dose depends on the type of material but also on the dose rate, the dose and the type of irradiation.
  • Radiolysis is generally a phenomenon that we seek to avoid insofar as it is accompanied by the risk of pressure increase if radiolysis occurs in a sealed closed environment. It can thus result in a deterioration of the functional quality of certain materials.
  • the invention takes advantage of this phenomenon so as to provide the optical fiber exposed to a radiative flux with a quantity of hydrogen formed by radiolysis.
  • the optical fiber according to the invention comprises a coating whose material comprises a polymer or a combination of polymers capable of forming and releasing hydrogen in the optical fiber under the effect of radiation.
  • the ability to adapt the quantity of hydrogen released according to the hardening needs of the optical fiber it is thus possible to choose a polymer material according to the environment in which it is planned to use the optical fiber (flow rate of dose, total dose, temperature, etc.);
  • the type of polymer material but also its physical state (solid, gel contained in a thin envelope, etc.) and its thickness, can be chosen according to the irradiation conditions of the optical fiber, and therefore according to the desired amount of hydrogen in the optical fiber.
  • optical fiber according to the invention may also comprise one or more of the following characteristics taken individually or in any possible technical combination.
  • the embodiments indicated in the following can be combined with each other.
  • the coating is a solid layer of polymer material.
  • the covering comprises a layer of gel made of polymer material and an envelope able to contain said gel between the sheath and said envelope.
  • the envelope can be polymer or metal.
  • the coating of polymer material forms an annular coating around the sheath.
  • the core and the sheath surrounding the core are embedded in the coating made of polymer material (which may be a solid polymer or in the form of a gel).
  • the standard optical fiber may have several windings, said windings being embedded in the coating of polymer material.
  • the polymer material comprises one or more elements from among: a polyethylene, a polypropylene, a polyisobutylene, a polyvinyl chloride, polyethylene oxide, a polypropylene oxide, a polyoxymethylene.
  • the polymer material is preferably of high radiolytic yield.
  • the core of the optical fiber may include one or more elements from among: silicon, germanium, phosphorus, aluminum, boron, fluorine, or even nitrogen.
  • the core of the optical fiber can comprise one or more rare earth dopants from among lanthanum, cerium, erbium, ytterbium, neodymium, thulium and/or holmium.
  • the sheath of the optical fiber can comprise one or more elements among: silicon, germanium, phosphorus, aluminum, boron, fluorine, even nitrogen.
  • At least one of the core and/or the sheath comprises silica.
  • the invention also relates to an optical fiber device comprising at least one silica optical fiber according to the invention.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the manufacture of optical fibers, doped or not, and of devices and systems based on such optical fibers, intended for use in a radiative environment such as the space environment, the nuclear and scientific instrumentation or even in medical devices using radiation.
  • FIG.1 illustrates the beneficial effects of hydrogen on an undoped optical fiber.
  • FIG.2 illustrates the beneficial effects of hydrogen on an Erbium doped optical fiber.
  • FIG.3B represent state-of-the-art silica optical fibers.
  • FIG.4A represents a first variant of a first embodiment of optical fiber according to the invention.
  • FIG.4B represents a second variant of a first embodiment of optical fiber according to the invention.
  • FIG.5 represents the radiolysis effect of the coating of the optical fiber according to the invention.
  • FIG.ôB represent a second embodiment of optical fibers according to the invention.
  • FIG.7B represent the results obtained on optical fibers obtained according to the second embodiment of Figures 6A and 6B.
  • Figures 4A and 4B show a first embodiment of optical fiber.
  • a silica optical fiber 10 resistant to radiation comprises a core 20, a sheath 30 surrounding the core and an annular coating 40 of polymeric material encapsulating the sheath, said coating being capable of forming hydrogen by radiolysis. under the effect of radiation so as to diffuse it in said optical fiber.
  • the core of the optical fiber can include one or more elements among: silicon, germanium, phosphorus, aluminum, boron, fluorine, nitrogen. It may be undoped or be doped for example with one or more rare earth dopants from among lanthanum, cerium, erbium, ytterbium, neodymium, thulium and/or holmium.
  • the sheath may comprise one or more elements from among: silicon, germanium, phosphorus, aluminum, boron, fluorine, nitrogen. It can be undoped or be doped with example with one or more rare earth dopants from among lanthanum, cerium, erbium, ytterbium, neodymium, thulium and/or holmium.
  • the coating 40 is an annular coating surrounding the sheath 30 and consists of a solid layer 41 of a polymer material with high radiolytic yield.
  • the hydrogen formed by the layer of polymer material under the effect of radiation can thus be diffused into the optical fiber.
  • the coating 40 is also an annular coating surrounding the sheath 30 but it differs from the first variant in that it comprises a layer of gel 42 made of a polymer material with high radiolytic yield contained in a casing 43 preferably thin.
  • the envelope can be polymer or metal.
  • the envelope is used to contain the gel. The hydrogen formed by the gel under the effect of radiation can thus be diffused into the optical fiber.
  • the polymer material comprises one or more elements from among: a polyethylene, a polypropylene, a polyisobutylene, a polyvinyl chloride, polyethylene oxide, a polypropylene oxide, a polyoxymethylene.
  • These materials have a higher radiolytic yield for hydrogen than an acrylate coating, for example, which is commonly used as an optical fiber coating. The aforementioned materials therefore allow better hardening of the optical fiber compared to those of the prior art.
  • the thickness of the coating can vary between a few micrometers to a few millimeters depending on the application and the radiation environment targeted. It may for example be greater than 50 ⁇ m, or even greater than 250 ⁇ m, or even greater than 400 ⁇ m.
  • FIG. 5 shows the effect of irradiation R under which coating 40 undergoes radiolysis which allows the release of a flow of hydrogen H 2 , part of which diffuses into cladding 30 and core 20.
  • Figures 6A and 6B show a second embodiment in which the optical fiber is formed by embedding a standard optical fiber (core 20 and sheath 30) in a polymer (cladding 40). As shown, the standard optical fiber coils are wound and this fiber winding is embedded in a coating of polymer material with high radiolytic efficiency, which is either a solid layer of polymer material (first variant) or a gel layer of material polymer contained in an envelope (second variant).
  • first variant a solid layer of polymer material
  • second variant a gel layer of material polymer contained in an envelope
  • This second embodiment is very interesting in that it makes it possible to produce in a simple manner an optical fiber reinforced against radiation.
  • a reference optical fiber is a single-mode optical fiber in the form of a 50-meter coil, hardened to radiation by doping, more precisely whose core and sheath are made of silica doped with fluorine, the fiber having a diameter of 125 ⁇ m.
  • a first fiber (corresponding to fiber A in FIG. 7A) is a fiber produced according to a first variant of the second embodiment comprising a coating in the form of a solid layer of low density polyethylene (CH 2 CH 2 ) n embedding a fiber optic coil similar to that of the reference fiber optic coil.
  • a second fiber (corresponding to fiber B in FIG. 7B) is a fiber produced according to a second variant of the second embodiment comprising a coating in the form of a layer of gel based on a polymer with high radiolytic yield (Gel Unigel transmission system intended for ultrasound imaging) contained in an epoxy resin envelope (C ⁇ fBsClOs), having a low radiolytic yield to be sure that the hydrogen generated during the test comes from the gel, said coating embedding a similar optical fiber to that of the reference fiber.
  • a coating in the form of a layer of gel based on a polymer with high radiolytic yield (Gel Unigel transmission system intended for ultrasound imaging) contained in an epoxy resin envelope (C ⁇ fBsClOs), having a low radiolytic yield to be sure that the hydrogen generated during the test comes from the gel, said coating embedding a similar optical fiber to that of the reference fiber.
  • the first fiber about 10 g of polyethylene was used to encapsulate the coil, which made it possible to form the equivalent of a coating thickness of 420 ⁇ m (fiber diameter: 125 ⁇ m).
  • the reference fiber (dotted curves in FIGS. 7A and 7B) as well as the two variants of fibers according to the invention with a coating of polymer material with high radiolytic yield (solid curves in FIGS. 7A and 7B) have were tested, and the fibers according to the invention were compared with the reference fiber.
  • the three fibers were tested under irradiation by gamma radiation with a dose rate of about 5.4 kGy / hour for more than 176 hours to reach a total dose of about 0.95 MGy.
  • Figures 7A and 7B present the results of these tests which highlight the effect of hydrogen.
  • the fibers according to the invention a considerable reduction in losses in the visible is observed.
  • the hydrogen produced by the irradiation penetrates the fiber and makes it possible to interact with the Si-O* defects (with an absorption band around 630 nm) by transforming them into Si-OH type defects (with a band of absorption around 1380 nm) according to the following formula:
  • Si-O • + Si • +H2 SiOH + SiH
  • the effect of hydrogen can be all the greater if the polymer material, the thickness of the coating, its shape or even its physical state (solid, gel confined in an envelope) is adapted to the conditions in which the optical fiber is intended to be used.

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Abstract

L'invention concerne une fibre optique de silice (10) résistante aux radiations (R) comprenant: un cœur (20); une gaine (30) entourant le cœur; un revêtement en matériau polymère (40) encapsulant la gaine, ledit revêtement étant apte à former de l'hydrogène (H2) par radiolyse sous l'effet des radiations de manière à le diffuser dans ladite fibre optique. L'invention concerne également un dispositif à fibre optique comprenant au moins une telle fibre optique de silice résistante aux radiations.

Description

Description
Titre de 1’invention : Fibre optique à base de silice résistante aux radiations
Domaine technique de l’invention
L’invention se situe dans le domaine des fibres optiques à base de silice, et plus précisément des fibres optiques à base de silice destinées à être utilisées dans un environnement radiatif tel qu'en milieu spatial ou en environnement nucléaire.
L'invention peut concerner des fibres optiques non dopées, résistantes aux radiations, pour la transmission de signaux optiques. L'invention peut aussi concerner des fibres optiques dopées, résistantes aux radiations, notamment pour des applications d'amplificateur, de source à émission spontanée amplifiée ou de laser à fibre.
Etat de la technique
L’invention concerne une fibre optique à base de silice. Dans l’ensemble de la présente description, on entend par « fibre optique à base de silice », dénommée par simplification « fibre optique », une fibre optique pouvant aussi comprendre d'autres éléments que du silicium (germanium, phosphore, aluminium, bore, fluor...) et/ou de l'azote et pouvant être dopée ou non dopée.
Il existe deux grandes classes de fibres optiques, les fibres non dopées dites « passives » et les fibres dopées dites « actives ».
On définit une fibre passive comme étant une fibre optique transmettant un signal optique sans le modifier.
A l’inverse, on définit une fibre active comme étant une fibre optique transmettant un signal optique en le modifiant, par exemple en l’amplifiant. Une fibre active peut trouver des applications comme un amplificateur à fibre dopée erbium (désignée « EDFA » pour « Erbium Doped Fiber Amplifier »), une source à émission spontanée amplifiée (désignée « ASE » pour « Amplified Spontaneous Emission ») ou un laser à fibre.
Lorsqu’une fibre optique est exposée à un rayonnement ionisant, tel que des électrons, des neutrons, des rayons X et/ou des rayonnements y, une dégradation de ses performances optiques est observée, en particulier une augmentation de l'atténuation linéique de la fibre optique (désignée « atténuation induite par irradiation » ou encore « RIA » pour « Radiation Induced Attenuation ») pouvant atteindre quelques dB par mètre linéaire. Une telle atténuation peut être de l’ordre de 1 à lOdB par mètre linéaire, par exemple 3dB correspondant à une perte de 50%.
La perte de puissance survient parce que les liaisons chimiques constituant le cœur de la fibre optique sont perturbées par l’énergie des radiations, ce qui entraîne l’apparition de nouveaux états de transition électronique entraînant une absorption supplémentaire dans les régions de longueurs d’onde associées auxdites transitions électroniques.
Ce phénomène limite fortement l’utilisation de certaines fibres dans des applications en milieux radiatifs, notamment dans des applications en milieu nucléaire ou spatial, ce qui est particulièrement critique pour les EDFA (utilisés par exemple comme lasers de communication entre satellites), les sources ASE (par exemple pour les gyroscopes à fibre optique dans les satellites) ou les lasers à fibre.
Pour limiter ce phénomène, on conçoit généralement des fibres dont la composition et les plages spectrales de fonctionnement sont les mieux adaptées au milieu auquel elles sont destinées.
En ce qui concerne les fibres passives, on peut choisir des fibres dont le cœur, vecteur du transport du faisceau lumineux, est en silice ultrapure avec un très faible taux d’impureté. En outre, un faible dopage en fluor peut contribuer à limiter l’atténuation induite par les radiations, comme décrit dans la publication « Radiation resistance offluorine-doped silica-core fibers », K. Sanada, N. Shamoto, and K. Inada, Proc. First PAC RIM Meet. Glass Opt. Mater., vol. 179, pp. 339 - 344, Nov. 1994, doi : 10.1016/0022-3093 (94)90714-5.
Cependant malgré ces précautions, les pertes en performances, notamment dans le domaine nucléaire ou spatial, peuvent encore être trop importantes sur certaines gammes spectrales.
En ce qui concerne les fibres actives, on peut choisir des fibres avec un (co)dopage en phosphore et/ou en aluminium afin de donner à la fibre une grande efficacité optique et la rendre active. Cependant, ce dopage rend la fibre beaucoup plus sensible aux radiations que les fibres passives mentionnées ci-dessus (plusieurs ordres de grandeur de perte supplémentaire dans l’InfraRouge (IR) et le visible). Or, nous avons évoqué le fait que de telles fibres actives sont d’une grande importance pour le domaine nucléaire et spatial, elles constituent notamment la base des lasers fibrés et des amplificateurs optiques utilisés dans les systèmes de navigation et de communication spatiales. Il est donc essentiel qu’elles puissent conserver leurs propriétés sous l’effet des radiations.
Ainsi, même si des solutions de durcissement existent déjà, elles restent insuffisantes pour des taux de radiations élevés et sont en outre parfois difficiles à appliquer.
Une autre solution connue pour réduire les effets des radiations est de doper une fibre optique avec de l’hydrogène. Cet effet positif de l’hydrogène a été par exemple décrit dans publication
« Improvement of Radiation Resistance of Pure Silica Core Fibers by Hydrogen Treatment », Kaya Nagasawa, Yutaka Hoshi, Yoshimichi Ohki and Kichinosuke Yahagi, Japanese, Journal of Applied Physics, Volume 24, Part 1, Number 9 (1985) dans le cas d’une fibre optique dite passive avec un cœur en silice pure, et une gaine qui peut être en silice fluorée. La présence de l’hydrogène dans la fibre permet la conversion des défauts qui ont des bandes d’absorption dans le visible et le proche infra-rouge en défauts OH avec une bande d’absorption autour de 1380 nm. Cela réduit fortement l’atténuation induite par l’irradiation de la fibre optique dans le visible et le proche infra-rouge, comme cela est illustré en figure 1 (issue de la publication sus-citée).
Cet effet positif de l’hydrogène a également été décrit dans la publication « Optimized radiation- hardened erbium doped fiber amplifiers for long space missions » A. Ladaci, et al, Journal of Applied Physics 2017 pour une fibre dite active amplificatrice, par exemple une fibre optique alumino-silice dont le cœur est co-dopé en Cérium et Erbium. La présence de l’hydrogène est ainsi très bénéfique dans le durcissement de telles fibres actives utilisées dans les amplificateurs optiques, comme cela est illustré en figure 2 (issue de la publication sus-citée). Cependant, l’hydrogène est un gaz très volatile. Le garder dans le cœur de la fibre pendant la durée de fonctionnement de la fibre optique ou d’un système comprenant une telle fibre optique est très compliqué.
En réponse à ce problème, la demande de brevet FR3008194 décrit un procédé de fabrication d'une fibre optique résistante aux radiations comportant les étapes suivantes : a) fabrication d'une préforme de fibre optique de silice ; b) formation dans la préforme d'une cavité longitudinale ; c) fibrage de ladite préforme de manière à former une fibre optique (1) comprenant un cœur (2), une gaine optique (6) et au moins une cavité longitudinale (3) ayant au moins une ouverture (13) à une extrémité de la fibre optique (1) ; d) application, pendant l'étape c) de fibrage, d'un revêtement hermétique au gaz (4) ; e) exposition de la fibre optique (1) à une substance gazeuse, comprenant de préférence de l'hydrogène gazeux et/ou du deutérium gazeux, de manière à incorporer ladite substance gazeuse dans la silice via ladite ouverture (13) ; f) fermeture de toute ouverture (13) aux deux extrémités de la fibre optique (1).
La fibre optique de silice obtenue illustrée en figures 3 A et 3B comprend :
- un cœur (2) ;
- une gaine optique (6) ;
- au moins une cavité longitudinale (3) disposée à l'intérieur de la gaine optique (6), la cavité longitudinale (3) étant fermée aux deux extrémités de la fibre optique (1),
- un revêtement hermétique (4) à la diffusion du gaz qui est typiquement une couche mince de carbone ou de métal.
Ladite fibre optique de silice comprend dans la au moins une cavité (3) une concentration déterminée en gaz, de préférence parmi de l'hydrogène gazeux et/ou du deutérium gazeux.
Néanmoins, un tel procédé de fabrication et la fibre obtenue présente certains inconvénients.
D’une part, il n’est pas garanti que la couche fine de carbone ou de métal, de l'ordre de un nanomètre à quelques dizaines de nanomètres, reste hermétique sous l’effet de la radiation et de la température, notamment pour de longues périodes d’utilisation.
D’autre part, un revêtement par une couche fine de carbone ou de métal ne peut être réalisé sur tous les types de fibres (comme les fibres à gaine en polymère ou les fibres double gaine). En effet, réaliser un revêtement métallique sur une gaine polymère peut générer un risque de faire fondre et d’endommager la gaine, et il est difficile voire impossible de faire tenir un revêtement de carbone sur une gaine en polymère.
En outre, la quantité d’hydrogène comprise au cœur de la fibre est compliquée à contrôler dans ce procédé.
Cette solution présente un autre défaut, non des moindres, en ce que l’hydrogène présente un double effet : un effet bénéfique lorsque la fibre est soumise à des radiations, mais un effet négatif tant que la fibre n’est pas encore irradiée ou est sous très faible irradiation. En effet, l’hydrogène présent dans la fibre au départ apporte des pertes supplémentaires (pertes par diffusion de la lumière) dans la fibre non encore irradiée (dénommée « fibre vierge »). Ainsi, avant que la fibre ne soit soumise aux radiations, seul l’effet négatif des pertes supplémentaires dans la fibre vierge est présent. On voit en effet dans la figure 2 qu’avant irradiation et jusqu’à une très faible dose, la fibre sans hydrogène a un gain plus élevé que la fibre avec hydrogène.
L’invention vise à surmonter les inconvénients précités de l’art antérieur.
Plus particulièrement, l’invention vise à améliorer la performance d’une fibre optique soumise à des radiations, tout en conservant sa performance avant que la fibre optique ne soit soumise aux radiations, et ce, pendant une durée d’utilisation la plus longue possible. L’invention vise en particulier à pouvoir utiliser une fibre optique dans des milieux radiatifs. L’invention vise en outre l’amélioration de la performance de tout type de fibre optique à base de silice, qu’elle soit dopée ou non dopée et quels que soient le(s) dopant(s) et les matériaux du cœur et de la gaine.
Expose de l’invention
L’objet de l’invention permettant de remédier à ces inconvénients est une fibre optique de silice résistante aux radiations comprenant :
- un cœur ;
- une gaine entourant le cœur ;
- un revêtement en matériau polymère encapsulant la gaine, ledit revêtement étant apte à former de l’hydrogène par radiolyse sous l’effet des radiations de manière à diffuser ledit hydrogène formé dans ladite fibre optique.
La radiolyse est un phénomène connu qui consiste en un dégagement d’hydrogène sous l’effet d’une radiation ionisante dans certains matériaux, notamment les polymères. Le taux de génération d’hydrogène par unité de masse et par dose d’irradiation dépend du type du matériau mais aussi du débit de dose, de la dose et du type d’irradiation.
La radiolyse est généralement un phénomène qu’on cherche à éviter dans la mesure où elle est assortie du risque d’augmentation de pression si la radiolyse se produit dans un milieu fermé étanche. Elle peut ainsi se traduire par une détérioration de la qualité fonctionnelle de certains matériaux.
Au contraire, l’invention tire profit de ce phénomène de manière à apporter à la fibre optique exposée à un flux radiatif une quantité l’hydrogène formée par radiolyse. Ainsi, la fibre optique selon l’invention comprend un revêtement dont le matériau comprend un polymère ou une combinaison de polymères aptes à former et dégager de l’hydrogène dans la fibre optique sous l’effet des radiations.
La radiolyse peut générer un risque important dans le cas où de grandes quantités de polymère sont mises en œuvre, ce qui n’est pas le cas de l’invention qui met en œuvre de petites quantités (de l’ordre de quelques grammes).
Les avantages de l’invention sont :
- la capacité d’adapter la quantité d’hydrogène libérée en fonction des besoins de durcissement de la fibre optique : on peut ainsi choisir un matériau polymère en fonction de l’environnement dans lequel il est prévu d’utiliser la fibre optique (débit de dose, dose totale, température . . .) ;
- une plus grande fiabilité dans le temps : en effet, il n’est pas nécessaire de se préoccuper des risques de fuite de l’hydrogène dans le temps comme cela est le cas de fibres optiques préalablement chargées en hydrogène.
En outre, comme l’hydrogène est généré par l’irradiation et qu’il n’est pas présent dans la fibre optique au préalable, on évite l’effet indésirable décrit ci-dessus dû à la présence de l’hydrogène lorsque la fibre optique n’est pas encore soumise aux radiations. On peut parler d’auto-activation du mécanisme de durcissement de la fibre optique.
Par « durcissement », il faut comprendre un mécanisme visant à protéger la fibre des radiations.
Le type de matériau polymère, mais également son état physique (solide, gel contenu dans une enveloppe de faible épaisseur. . .) et son épaisseur, peuvent être choisis en fonction des conditions d’irradiation de la fibre optique, et donc en fonction de la quantité d’hydrogène souhaitée dans la fibre optique.
La fibre optique selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles. En d’autres termes, les modes de réalisation indiqués dans ce qui suit peuvent être combinés entre eux.
Selon une première variante de réalisation, le revêtement est une couche solide en matériau polymère.
Selon une deuxième variante de réalisation, le revêtement comprend une couche de gel en matériau polymère et une enveloppe apte à contenir ledit gel entre la gaine et ladite enveloppe. L’enveloppe peut être en polymère ou métallique.
Selon un premier mode de réalisation, le revêtement en matériau polymère forme un revêtement annulaire autour de la gaine.
Selon un second mode de réalisation, le cœur et la gaine entourant le cœur (le cœur et la gaine formant une fibre optique standard) sont noyés dans le revêtement en matériau polymère (qui peut être un polymère solide ou sous forme de gel). En particulier, la fibre optique standard peut présenter plusieurs enroulements, lesdits enroulements étant noyés dans le revêtement en matériau polymère.
Le matériau polymère comprend un ou plusieurs éléments parmi : un polyéthylène, un polypropylène, un polyisobutylène, un polychlorure de vinyle, polyéthylène oxyde, un polypropylène oxyde, un polyoxyméthylène.
Le matériau polymère est de préférence à haut rendement radiolytique.
Le cœur de la fibre optique peut comprendre un ou plusieurs éléments parmi : le silicium, le germanium, le phosphore, l'aluminium, le bore, le fluor, voire de l’azote.
Le cœur de la fibre optique peut comprendre un ou plusieurs dopants en terre rare parmi le lanthane, le cérium, l'erbium, l'ytterbium, le néodyme, le thulium et/ou l'holmium.
La gaine de la fibre optique peut comprendre un ou plusieurs éléments parmi : le silicium, le germanium, le phosphore, l'aluminium, le bore, le fluor, voire de l’azote.
Il est à noter qu’au moins un parmi le cœur et/ou la gaine comprend de la silice. L’invention concerne également un dispositif à fibre optique comprenant au moins une fibre optique de silice selon l’invention.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans la fabrication de fibres optiques, dopées ou non, et de dispositifs et systèmes basés sur de telles fibres optiques, destinés à être utilisés dans un environnement radiatif tel que le milieu spatial, les domaines du nucléaire et de l'instrumentation scientifique ou encore dans des appareils médicaux utilisant des radiations.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard des figures annexées parmi lesquelles
[Fig.1] illustre les effets bénéfiques de l’hydrogène sur une fibre optique non dopée.
[Fig.2] illustre les effets bénéfiques de l’hydrogène sur une fibre optique dopée Erbium.
[Fig.3A] et
[Fig.3B] représentent des fibres optiques en silice de l’état de la technique.
[Fig.4A] représente une première variante d’un premier mode de réalisation de fibre optique selon l’invention.
[Fig.4B] représente une seconde variante d’un premier mode de réalisation de fibre optique selon l’invention.
[Fig.5] représente l’effet de radiolyse du revêtement de la fibre optique selon l’invention.
[Fig.ôA] et
[Fig.ôB] représentent un second mode de réalisation de fibres optiques selon l’invention.
[Fig.7A] et
[Fig.7B] représentent les résultats obtenus sur des fibres optiques obtenues selon le second mode de réalisation des figures 6A et 6B.
Description détaillée de l’invention
Les figures 1, 2, 3A et 3B ont déjà été décrites et ne seront pas reprises ici.
Les figures 4A et 4B représentent un premier mode de réalisation de fibre optique. Dans les deux variantes représentées, une fibre optique de silice 10 résistante aux radiations comprend un cœur 20, une gaine 30 entourant le cœur et un revêtement annulaire 40 en matériau polymère encapsulant la gaine, ledit revêtement étant apte à former de l’hydrogène par radiolyse sous l’effet des radiations de manière à le diffuser dans ladite fibre optique.
Le cœur de la fibre optique peut comprendre un ou plusieurs éléments parmi : le silicium, le germanium, le phosphore, l'aluminium, le bore, le fluor, l’azote. Il peut être non dopé ou être dopé par exemple avec un ou plusieurs dopants terre rare parmi le lanthane, le cérium, l'erbium, l'ytterbium, le néodyme, le thulium et/ou l'holmium.
De même, la gaine peut comprendre un ou plusieurs éléments parmi : le silicium, le germanium, le phosphore, l'aluminium, le bore, le fluor, l’azote. Elle peut être non dopée ou être dopée par exemple avec un ou plusieurs dopants terre rare parmi le lanthane, le cérium, l'erbium, l'ytterbium, le néodyme, le thulium et/ou l'holmium.
Dans la première variante de la figure 4A, le revêtement 40 est un revêtement annulaire entourant la gaine 30 et consiste en une couche solide 41 en un matériau polymère à haut rendement radiolytique. L’hydrogène formé par la couche en matériau polymère sous l’effet des radiations peut ainsi être diffusé dans la fibre optique.
Dans la seconde variante de la figure 4B, le revêtement 40 est également un revêtement annulaire entourant la gaine 30 mais il diffère de la première variante en ce qu’il comprend une couche de gel 42 en un matériau polymère à haut rendement radiolytique contenu dans une enveloppe 43 préférentiellement de faible épaisseur. L’enveloppe peut être en polymère ou métallique. L’enveloppe permet de contenir le gel. L’hydrogène formé par le gel sous l’effet des radiations peut ainsi être diffusé dans la fibre optique.
Le matériau polymère comprend un ou plusieurs éléments parmi : un polyéthylène, un polypropylène, un polyisobutylène, un polychlorure de vinyle, polyéthylène oxyde, un polypropylène oxyde, un polyoxyméthylène. Ces matériaux présentent un plus grand rendement radiolytique pour l’hydrogène qu’un revêtement en acrylate par exemple qui est communément utilisé comme revêtement de fibre optique. Les matériaux précités permettent donc un meilleur durcissement de la fibre optique par rapport à celles de l’art antérieur.
Qu’il soit sous forme solide ou sous forme de gel, l’épaisseur du revêtement peut varier entre quelques micromètres à quelques millimètres en fonction de l’application et de l’environnement radiatif visé. Il peut être par exemple supérieur à 50 pm, voire supérieur à 250 pm, ou encore supérieur à 400 pm.
La figure 5 montre l’effet de l’irradiation R sous lequel le revêtement 40 subit une radiolyse qui permet le relâchement d’un flux d’hydrogène H2 dont une partie diffuse dans la gaine 30 et le cœur 20.
Les figures 6A et 6B représentent un second mode de réalisation dans lequel la fibre optique est formée en noyant une fibre optique standard (cœur 20 et gaine 30) dans un polymère (revêtement 40). Comme illustré, les bobines de fibre optique standard sont enroulées et cet enroulement de fibres est noyé dans un revêtement en matériau polymère à haut rendement radiolytique, qui est soit une couche solide en matériau polymère (première variante), soit une couche de gel en matériau polymère contenu dans une enveloppe (deuxième variante).
Ce second mode de réalisation est très intéressant en ce qu’il permet de réaliser de manière simple une fibre optique renforcée contre les radiations.
Pour montrer l’effet de l’invention, trois fibres ont été réalisées puis testées, une fibre de référence et deux fibres selon l’invention.
Une fibre optique de référence (fibre de l’état de la technique) est une fibre optique monomode sous la forme d’une bobine de 50 mètres, durcie aux radiations par dopage, plus précisément dont le cœur et la gaine sont en silice dopée au fluor, la fibre présentant un diamètre de 125 pm. Une première fibre (correspondant à la fibre A de la figure 7A) est une fibre réalisée selon une première variante du second mode de réalisation comprenant un revêtement sous forme d’une couche solide de polyéthylène faible densité (CH2CH2)n noyant une bobine de fibre optique similaire à celle de la bobine de fibre optique de référence.
Une deuxième fibre (correspondant à la fibre B de la figure 7B) est une fibre réalisée selon une deuxième variante du second mode de réalisation comprenant un revêtement sous forme d’une couche de gel à base d’un polymère à fort rendement radiolytique (Gel de transmission Unigel destiné à l’imagerie ultrason) contenu dans une enveloppe en résine époxy (C^fBsClOs), présentant une faible rendement radiolytique pour être sûr que l’hydrogène généré pendant le test provient du gel, ledit revêtement noyant une fibre optique similaire à celle de la fibre de référence.
Pour réaliser la première fibre, environ 10 g de polyéthylène ont permis d’encapsuler la bobine, ce qui a permis de former l’équivalent d’une épaisseur de revêtement de 420 pm (diamètre de fibre : 125 pm).
Pour réaliser la seconde fibre, une quantité équivalente (10 g) de gel a été versée autour de la bobine dans un moule fermé, puis l’enveloppe en résine époxy a été solidifiée. La quantité totale de gel est la même que celle nécessaire pour disposer une épaisseur de 420 pm sur toute la longueur de la fibre (diamètre de fibre seule : 125 pm).
La fibre de référence (courbes en pointillés sur les figures 7A et 7B) ainsi que les deux variantes de fibres selon l’invention avec un revêtement de matériau polymère à fort rendement radiolytique (courbes en trait continu sur les figures 7 A et 7B) ont été testées, et les fibres selon l’invention ont été comparées à la fibre de référence.
Les trois fibres ont été testées sous irradiation par rayonnement gamma avec un débit de dose de l’ordre de 5.4 kGy /heure pendant plus de 176 heures pour atteindre une dose totale d’environ 0.95 MGy.
Les figures 7A et 7B présentent les résultats de ces tests qui mettent en évidence l’effet de l’hydrogène. Avec les fibres selon l’invention, on observe une diminution considérable des pertes dans le visible. L’hydrogène produit par l’irradiation pénètre dans la fibre et permet d’interagir avec les défauts Si-O* (avec une bande d’absorption autour de 630 nm) en les transformant en défauts type Si-OH (avec une bande d’absorption autour de 1380 nm) selon la formule suivante :
Si- O • + Si • +H2 = SiOH + SiH
Cela forme des fibres beaucoup plus transparentes dans le domaine du visible et proche UV.
L’effet de l’hydrogène peut être d’autant plus important si le matériau polymère, l’épaisseur du revêtement, sa forme ou encore son état physique (solide, gel confiné dans une enveloppe) est adapté aux conditions dans lesquelles la fibre optique est destinée à être utilisée.
La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s'étend à tout mode de réalisation entrant dans la portée des revendications.

Claims

Revendications
1. Fibre optique de silice (10) résistante aux radiations (R) comprenant :
- un cœur (20) ;
- une gaine (30) entourant le cœur ;
- un revêtement en matériau polymère (40) encapsulant la gaine, ledit revêtement étant apte à former de l’hydrogène (H2) par radiolyse sous l’effet des radiations de manière à diffuser ledit hydrogène formé dans ladite fibre optique, le matériau en polymère comprenant un ou plusieurs éléments parmi : un polyéthylène, un polypropylène, un polyisobutylène, un polychlorure de vinyle, polyéthylène oxyde, un polypropylène oxyde, un polyoxyméthylène..
2. Fibre optique (10) selon la revendication 1 caractérisée en ce que le revêtement (40) est une couche solide (41) en matériau polymère.
3. Fibre optique (10) selon la revendication 1 caractérisée en ce que le revêtement (40) comprend une couche de gel (42) en matériau polymère et une enveloppe (43) apte à contenir ledit gel entre la gaine (30) et ladite enveloppe.
4. Fibre optique (10) selon la revendication 3 caractérisée en ce que l’enveloppe (43) est en polymère ou métallique.
5. Fibre optique (10) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le revêtement en matériau polymère (40) forme un revêtement annulaire autour de la gaine (30).
6. Fibre optique (10) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le cœur (20) et la gaine (30), ledit cœur et ladite gaine formant une fibre optique standard, sont noyés dans le revêtement en matériau polymère (40).
7. Fibre optique (10) selon la revendication 6, caractérisée en ce que la fibre optique standard présente plusieurs enroulements, lesdits enroulements étant noyés dans le revêtement en matériau polymère (40).
8. Fibre optique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le cœur (20) de la fibre optique comprend un ou plusieurs éléments parmi : le silicium, le germanium, le phosphore, l'aluminium, le bore, le fluor, voire de l’azote.
9. Fibre optique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le cœur (20) de la fibre optique comprend un ou plusieurs dopants en terre rare parmi le lanthane, le cérium, l'erbium, l'ytterbium, le néodyme, le thulium et/ou l'holmium.
10. Fibre optique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la gaine (30) comprend un ou plusieurs éléments parmi : le silicium, le germanium, le phosphore, l'aluminium, le bore, le fluor, voire de l’azote.
11. Dispositif à fibre optique comprenant au moins une fibre optique de silice selon l'une des revendications 1 à 10.
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