FR2780164A1 - Fibre optique dispersive utilisant de la silice a composant binaire - Google Patents
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Abstract
La fibre (10, 20) comprend un coeur en dioxyde de silicium dopé avec un premier matériau dispersif et une gaine en dioxyde de silicium dopé avec un deuxième matériau dispersif. Les indices de réfraction des matériaux se croisent à une longueur d'onde prédéterminée. Application aux filtres optiques.
Description
FIBRE OPTIQUE DISPERSIVE UTILISANT DE LA SILICE À
COMPOSANT BINAIRE
DESCRIPTION
La présente invention concerne une fibre optique dispersive ayant des différences d'indice de réfraction coeur/ gaine variables en fonction de la longueur d'onde, et plus particulièrement, une fibre optique dispersive utilisant du verre de silice à composant binaire. En général, l'indice de réfraction est fonction de la longueur d'onde de la lumière. Comme le montre la figure 1, plus la longueur d'onde est courte, plus l'indice de réfraction est élevé. Dans des fibres optiques classiques utilisées dans des dispositifs optiques, le verre de coeur et le verre de gaine ont des caractéristiques spectrales similaires de sorte que la différence de l'indice de réfraction entre eux est
presque constante par rapport à la longueur d'onde.
Comme le montre la figure 1, la différence des indices de réfraction entre GeO2 et SiO2 est presque constante par rapport à la longueur d'onde. La courbe d'indice de réfraction supérieure, marquée GeO2, est pour le coeur, et la courbe d'indice de réfraction inférieure, marquée SiO2, est pour la gaine. Donc, il n'est pas facile d'obtenir des dispositifs à fibre optique avec différentes propriétés spectrales en utilisant des
fibres typiques.
Une fibre optique ayant une différence d'indice de réfraction variable en fonction de la longueur d'onde est appelée une fibre optique dispersive. Les dispositifs optiques, utilisant la fibre optique dispersive incluent des filtres à fibre optique, des coupleurs insensibles à la longueur d'onde, des coupleurs à fibres optiques sélectifs en longueur
d'onde et analogues.
Une fibre optique dispersive a les propriétés suivantes. Premièrement, la différence d'indice de réfraction entre le coeur et la gaine dépend de la longueur d'onde. Deuxièmement, les indices de réfraction du matériau de coeur et du matériau de gaine
deviennent identiques à une longueur d'onde spécifique.
Troisièmement, selon la longueur d'onde de la lumière incidente, la lumière incidente se propage soit à travers le coeur soit à travers la gaine. Les matériaux de verre connus actuellement ont des caractéristiques très dispersives et des types de filtre qui les
utilisent sont montrés dans le tableau 1 suivant.
Tableau 1
Matériau Matériau Longueur d'onde de Type de de coeur de gaine croisement (Xcros) filtre BaCED4 Fil 0,72 pm Long BaCD1 ADF10 0,9 Im Long ADF10 BaF7 1,62 pm Court LaF8 FD13 0,82 pm - 1,65 pm Passe-bande LaKN18 SF10 < 0,6 im Long SK6 TiF6 0,67 pm Long TiF6 SKi 0,87 pm Court Les fibres optiques dispersives classiques se composent typiquement de verre multicomposant et ont une perte de transmission plus grande que des fibres optiques en silice pure. De plus, puisqu'elles ont un point de fusion bas, il n'est pas possible de les
épissurer par fusion avec des fibres optiques typiques.
Les fibres optiques dispersives classiques sont fabriquées en utilisant une technique de barreau dans un tube, dans laquelle un barreau c'est-à-dire un matériau de coeur, est inséré dans un tube, c'est-à-dire un matériau de gaine, et chauffé et assoupli pour supprimer l'écart entre ceux-ci, achevant ainsi les fibres optiques. Cependant, la technique de barreau dans tube est très compliquée. De plus, puisque l'indice de réfraction du verre multicomposant est supérieur à celui du verre typique, la perte aux points de raccordement augmente dû à l'épissure mécanique du
verre multicomposant avec le verre typique.
Pour résoudre les problèmes ci-dessus, la présente invention a pour but de prévoir une fibre optique dispersive ayant des différences d'indice de réfraction variables entre le coeur et la gaine en fonction de la longueur d'onde, en utilisant un matériau de silice à
composant binaire, plutôt que du verre multicomposant.
En conséquence, pour atteindre le but ci-dessus, il est prévu une fibre optique dispersive incluant un coeur réalisé en dioxyde de silicium, c'est-à-dire en silice, dopé avec un premier matériau dispersif, et une gaine réalisée en dioxyde de silicium dopé avec un deuxième matériau dispersif, dans laquelle les indices de réfraction des premier et deuxième matériaux dispersifs se croisent à une longueur d'onde de croisement prédéterminée. Le but ci-dessus et des avantages de la présente invention ressortiront mieux en décrivant en détail un mode de réalisation préféré de celle-ci en se référant aux dessins joints, o: la figure 1 est un graphique montrant la différence d'indice de réfraction entre le coeur et la gaine d'une fibre optique typique; la figure 2 est un graphique montrant que la différence d'indice de réfraction entre le coeur et la gaine change en fonction de la longueur d'onde; les figures 3A, 3B et 3C sont des schémas représentant la relation entre les indices de réfraction du coeur et de la gaine en fonction de la longueur d'onde, dans le cas d'un filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes, et un profil de puissance; les figures 4A, 4B et 4C sont des schémas représentant la relation entre des indices de réfraction du coeur et de la gaine en fonction de la longueur d'onde, dans le cas d'un filtre laissant passer des longueurs d'onde longues, et un profil de puissance; la figure 5 représente le profil d'indice de réfraction d'une fibre optique dispersive fonctionnant comme un filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes selon la présente invention, pour l'irradiation par un laser He-Ne; la figure 6 représente le profil d'indice de réfraction d'une fibre optique dispersive fonctionnant comme un filtre laissant passer des longueurs d'onde longues selon la présente invention, pour l'irradiation par un laser He-Ne; les figures 7A et 7B sont des schémas pour représenter un procédé pour déterminer les concentrations en dopant de bore et de fluor, dans lequel les indices de réfraction du coeur et de la gaine deviennent identiques à une longueur d'onde spécifique; la figure 8 montre les indices de réfraction dépendants de la longueur d'onde de fibres optiques fabriquées selon le procédé montré sur les figures 7A et 7B; la figure 9 représente des caractéristiques de transmission d'un filtre laisser passer des longueurs d'onde courtes fabriqué selon le procédé montré sur les figures 7A et 7B; et la figure 10 est un schéma pour illustrer un exemple d'un diviseur de longueur d'onde mis en oeuvre en utilisant une fibre optique dispersive selon la
présente invention.
Ci-dessous, la présente invention sera décrite en
détail en se référant aux dessins joints.
Une fibre optique dispersive selon la présente invention utilise du dioxyde de silicium comme matériau de base du coeur et de la gaine. On dope avec des matériaux dispersifs le dioxyde de silicium formant le coeur et la gaine, fabriquant ainsi la fibre optique dispersive en utilisant un procédé de fabrication de
fibre optique typique.
Dans le mode de réalisation de la présente invention, du bore et du fluor sont utilisés comme matériaux dispersifs, mais la présente invention n'est pas limitée à ceux-ci. Deux matériaux au choix, qui ont une longueur d'onde de croisement spécifique à laquelle les courbes d'indice de réfraction des deux matériaux
se croisent, peuvent être utilisés.
La fibre optique selon la présente invention présente des caractéristiques de filtrage en dopant du verre de silice respectivement avec du bore et du fluor. Les caractéristiques de filtrage changent en fonction du type et de la quantité de matériau
dispersif avec lequel on dopeé le coeur ou la gaine.
Selon les caractéristiques de filtrage, les filtres sont globalement classifiés en filtres laissant passer des longueurs d'onde courtes et en filtres laissant passer des longueurs d'onde longues. Par exemple, quand la différence d'indice de réfraction entre un matériau A et un matériau B change en fonction de la longueur d'onde, comme montré sur la figure 2, l'indice de réfraction du matériau A devient identique à celui du matériau B à une longueur d'onde spécifique cros3. Dans une région de longueur d'onde plus courte que la longueur d'onde de croisement Xcross, l'indice de réfraction du matériau A est supérieur à celui du matériau B. Ainsi, le matériau A devient le matériau de
coeur et le matériau B devient le matériau de gaine.
Dans une telle condition, la lumière d'une longueur d'onde plus courte que la longueur d'onde de croisement Xcross est guidée à travers le coeur, et la lumière d'une longueur d'onde plus longue que la longueur d'onde de croisement Xeross est dispersée. C'est-à-dire, quand le coeur est réalisé dans le matériau A et la gaine est réalisée dans le matériau B, un signal lumineux est appliqué à une extrémité de la fibre optique et ensuite la lumière sortie à l'autre extrémité de la fibre optique est mesurée. Ensuite, la lumière du signal ayant une longueur d'onde plus courte que la longueur d'onde de croisement Xcrosn est guidée à travers le coeur pour être ensuite produite au port de sortie de la fibre optique. Cependant, la lumière du signal ayant une longueur d'onde plus longue que la longueur d'onde de croisement lcross est dispersée à l'extérieur de la fibre optique, plutôt que d'être guidée, de sorte qu'elle n'est pas produite au port de sortie de la fibre optique. Donc, puisque la fibre optique décrite ci-dessus filtre seulement la lumière ayant une longueur d'onde plus courte que la longueur d'onde de croisement Xcros3, elle fonctionne comme un filtre
laissant passer des longueurs d'onde courtes.
Les figures 3A et 3B montrent comment les caractéristiques d'indice de réfraction d'un signal lumineux incident dépendent de la longueur d'onde, dans le cas o le coeur est réalisé dans le matériau A et la gaine est réalisée dans le matériau B. Dans le détail, la figure 3A montre le profil d'indice du coeur et de la gaine dans le cas d'un signal lumineux ayant une longueur d'onde plus courte que la longueur d'onde de croisement Xcross, et la figure 3B montre le profil d'indice du coeur et de la gaine dans le cas d'un signal lumineux ayant une longueur d'onde plus longue que la longueur d'onde de croisement Xcross. La figure 3C montre comment le profil de puissance (P) dépend de la longueur d'onde, d'après quoi on comprend que la fibre optique construite ci-dessus fonctionne comme un filtre
laissant passer des longueurs d'onde courtes.
Au contraire, de façon à guider un signal lumineux ayant une longueur d'onde plus longue que la longueur d'onde de croisement Xc oa, le coeur est réalisé dans le matériau B et la gaine est réalisée dans le matériau A. Les figures 4A et 4B montrent comment les caractéristiques d'indice de réfraction d'un signal lumineux incident dépendent de la longueur d'onde. La figure 4A montre le profil d'indice du coeur et de la gaine dans le cas d'un signal lumineux ayant une longueur d'onde plus courte que la longueur d'onde de croisement Xcross, et la figure 4B représente le profil d'indice du coeur et de la gaine dans le cas d'un signal lumineux ayant une longueur d'onde plus longue que la longueur d'onde de croisement Across-. La figure 4C montre comment le profil de puissance (P) dépend de la longueur d'onde, d'après quoi on comprend que la fibre optique construite ci- dessus fonctionne comme un filtre laissant passer des longueurs d'onde longues qui guide la lumière ayant une longueur d'onde plus longue que la longueur d'onde de croisement Xoro.s En enchaînant le filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes et le filtre laissant passer des longueurs d'onde longues, un filtre passe-bande peut être obtenu. Autrement dit, en recouvrant les bandes filtrées par le filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes et le filtre laissant passer des longueurs d'onde longues, un filtre passe-bande qui filtre seulement la lumière dans les bandes qui se
recouvrent peut être fabriqué.
De façon à obtenir un filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes, le coeur est formé dans un matériau à base de dioxyde de silicium et on dope avec du bore (B) le matériau à base de dioxyde de silicium, et la gaine est formée dans un matériau à base de dioxyde de silicium et on dope avec du fluor (F) le matériau à base de dioxyde de silicium. La concentration en dopant du bore qui dope le coeur est de 3,28 mole %, et la concentration en dopant du fluor qui
dope la gaine est de 1,57 mole %.
La figure 5 montre le profile d'indice de réfraction d'une fibre optique dispersive fonctionnant comme un filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes selon la présente invention, pour une irradiation par laser He-Ne, o d désigne le diamètre du coeur, et D désigne le diamètre de la gaine. Le coeur est réalisé en B203-SiO2 et son indice de réfraction est de 1,4555 pour une irradiation par laser He-Ne. La gaine est réalisée en F-SiO2 et son indice de réfraction est de 1,4546 pour une irradiation par laser He-Ne. Ici, la longueur d'onde du laser He-Ne est de 632,8 nm. L'indice de réfraction du verre varie selon la longueur d'onde de la lumière. Ainsi, si la longueur d'onde de la lumière incidente varie, les indices de réfraction du coeur et de la gaine et la différence d'indice de réfraction entre ceux-ci varie de façon correspondante. Par contre, de façon à obtenir un filtre laissant passer des longueurs d'onde longues, contrairement au filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes, le coeur est formé de dioxyde de silicium dopé au fluor, et la gaine est formée de dioxyde de silicium dopé au bore. La concentration en dopant du fluor qui dope le coeur est de 2,1 mole %, et la concentration en dopant
du bore qui dope la gaine est de 7,8 mole %.
La figure 6 montre le profil d'indice de réfraction d'une fibre optique dispersive fonctionnant comme un filtre laissant passer des longueurs d'onde longues selon la présente invention, pour une irradiation par laser He-Ne, o d désigne le diamètre du coeur, et D désigne le diamètre de la gaine. Le coeur est réalisé en F-SiO2 et son indice de réfraction est de 1,4538 pour une irradiation par laser He-Ne. La gaine est réalisée en B203-SiO2 et son indice de réfraction est de 1, 4539 pour une irradiation par laser He-Ne. Ici, puisque la longueur d'onde du laser He-Ne est relativement courte,
c'est-à-dire 632,8 nm, le profil pour l'irradiation He-
Ne montre que l'indice de réfraction du coeur est inférieur à celui de la gaine. Ainsi, le laser He-Ne ne peut pas être guidé à travers le coeur. Cependant, dans le cas de la lumière ayant une longueur d'onde nettement plus longue que celle du laser He-Ne, par exemple 1500 nm, l'indice de réfraction du coeur peut être supérieur à celui de la gaine. Ainsi, la lumière
est guidée à travers le coeur.
En général, l'indice de réfraction du verre varie en fonction de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Le filtre à fibre optique selon la présente invention peut ainsi ajuster la longueur d'onde de la lumière filtrée, en fonction des concentrations en
dopant de bore et de fluor.
Les figures 7A et 7B sont des schémas pour illustrer un procédé pour déterminer les concentrations en dopant de bore et de fluor, auxquelles les indices de réfraction du coeur et de la gaine deviennent identiques à une longueur d'onde spécifique, o la figure 7A est un graphique montrant les concentrations en dopant de bore et de fluor à une longueur d'onde de croisement (Xcross) spécifique, et la figure 7B est un graphique montrant l'indice de réfraction pour un laser He-Ne quand le coeur et la gaine sont formés avec du bore et du fluor des concentrations en dopant montrées sur la figure 7A, respectivement. Autrement dit, comme le montre la figure 7B, quand le coeur est dopé avec du bore jusqu'à une concentration en dopant (B) et la gaine est formés avec du bore et du fluor jusqu'à une concentration en dopant (A), l'indice de réfraction pour le laser He-Ne est plus grand dans le coeur que dans la gaine, d'après quoi on comprend que l'on montre la caractéristique de filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes, c'est-à-dire que seule la lumière ayant une longueur d'onde plus courte que la
longueur d'onde de croisement est ainsi filtrée.
La figure 8 montre les indices de réfraction en fonction de la longueur d'onde des fibres optiques fabriquées selon le procédé montré sur les figures 7A et 7B, o la longueur d'onde de croisement (Xcross) est approximativement de 1400 nm. Ainsi, si du bore dope le coeur et du fluor dope la gaine, la fibre optique fonctionne comme un filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes pour filtrer la lumière ayant une longueur d'onde plus courte que 1,4 pm. Dans le cas de la lumière ayant une longueur d'onde plus longue que 1,4 pm, l'indice de réfraction de la gaine est plus grand que celui du coeur. Donc, la lumière ne peut pas
passer à travers le coeur de la fibre optique.
La figure 9 montre les caractéristiques de transmission d'un filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes fabriqué selon le procédé montré sur les figures 7A et 7B. On comprend d'après la figure 10 que la lumière ayant une longueur d'onde plus courte que 1,4 gm est détectée à un port de sortie du filtre, et la lumière ayant une longueur d'onde plus longue que
1,4 gm n'est pas guidée à travers le coeur.
La figure 10 est un schéma pour illustrer un exemple d'un diviseur de longueur d'onde mis en oeuvre en utilisant une fibre optique dispersive selon la présente invention. Le diviseur de longueur d'onde montré sur la figure 10 a une forme de branches en Y, et un filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes 10 et un filtre laissant passer des longueurs d'onde longues 20 utilisant des fibres optiques dispersives sont disposés aux ports de sortie respectifs du côté branché du diviseur de longueur d'onde en forme de branche en Y. Par exemple, comme le montre la figure 10, le filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes 10 pour filtrer la lumière d'une longueur d'onde plus courte que 1,35 pm est disposé à l'un des ports de sortie branchés, et le filtre laissant passer des longueurs d'onde longues 20 pour filtrer la lumière d'une longueur d'onde plus longue que 1,45 pm est disposé à l'autre des ports de
sortie branchés.
Si la lumière dans laquelle un faisceau laser de 1,3 pim et un faisceau laser de 1,5 pm sont multiplexés est incidente sur le port d'entrée avec la puissance (P) et traverse un point de branchement A, la puissance au point de branchement A est divisée à la moitié de la puissance initiale (P), c'est-à-dire (P/2), pour être
ensuite transférée aux ports de sortie respectifs.
Ensuite, le faisceau laser de 1,3 pm est filtré par le filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes 10 mais le faisceau laser de 1,5 pm ne l'est pas. Par contre, le laser de 1,5 pin est filtré par le filtre laissant passer des longueurs d'onde longues 20 mais le
faisceau laser de 1,3 pin ne l'est pas.
La fibre optique dispersive et le filtre à fibre optique selon la présente invention peuvent être fabriqués en déposant du dioxyde de silicium, du bore et du fluor dans un tube de silice en utilisant un procédé de dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD). Ici, la température de réaction vaut de
préférence 1900 C ou moins.
En enchaînant de façon appropriée le filtre laissant passer des longueurs d'onde courtes et le filtre laissant passer des longueurs d'onde longues, un filtre passe-bande et un filtre coupe-bande peuvent être fabriqués. Ceci est facilement réalisé par l'homme du métier et une explication sera omise ici. Les fibres optiques dispersives selon la présente invention peuvent aussi être adaptées à des domaines d'application des fibres optiques dispersives classiques, incluant des réseaux d'abonnés optiques, des coupleurs en longueurs d'onde, des multiplexeurs en longueur d'ondes, dans le champ d'application de l'invention. Selon la présente invention, les fibres optiques dispersives sont fabriquées en dopant un coeur et une gaine avec chaque matériau dispersif, minimisant ainsi la perte de transmission, et sont capables d'être couplées à des fibres optiques générales avec une faible perte. De plus, les fibres optiques dispersives peuvent être fabriquées par un procédé MCVD, plutôt que selon un procédé de barreau dans tube, ce qui facilite
le processus de fabrication.
Claims (6)
1. Fibre optique dispersive (10, 20) ayant des différences d'indice de réfraction entre le coeur et la gaine variables en fonction de la longueur d'onde, caractérisée en ce qu'elle comprend: un coeur réalisé en dioxyde de silicium dopé avec un premier matériau dispersif; et une gaine réalisée en dioxyde de silicium dopé avec un deuxième matériau dispersif, dans laquelle les indices de réfraction des premier et deuxième matériaux dispersifs se croisent à une
longueur d'onde de croisement prédéterminée.
2. Fibre optique dispersive selon la revendication 1, dans laquelle la fibre optique dispersive est fabriquée par un procédé de dépôt chimique en phase
vapeur modifié.
3. Fibre optique dispersive (10, 20), caractérisée en ce qu'elle comprend: un coeur réalisé en dioxyde de silicium dopé avec du bore d'une première concentration de dopant prédéterminée; et une gaine réalisée en dioxyde de silicium dopé avec du fluor d'une deuxième concentration de dopant prédéterminée.
4. Fibre optique dispersive selon la revendication 3, dans laquelle on dope le coeur avec 3,28 mole % de
bore et la gaine avec 1,57 mole % de fluor.
5. Fibre optique dispersive (10, 20), caractérisée en ce qu'elle comprend: un coeur réalisé en dioxyde de silicium dopé avec du fluor d'une première concentration de dopant prédéterminée; et une gaine réalisée en dioxyde de silicium dopé avec du bore d'une deuxième concentration de dopant prédéterminée.
6. Fibre optique dispersive selon la revendication 5, dans laquelle on dope le coeur avec 2,1 mole % de fluor et la gaine avec 7,8 mole % de bore.
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