FR3030785A1 - Systeme de transmission d'une lumiere laser a travers une paroi comprenant un cordon pour evacuer des modes de gaine et procede de fabrication correspondant - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système de transmission de lumière (10 ; 51) à travers une paroi (11 ; 59) comprenant une fibre optique (14 ; 52 ; 83), présentant un cœur (141 ; 62) entouré d'une gaine (142 ; 521, 522), et une férule (15 ; 54 ; 81), destinée à être fixée à ladite paroi, montée à proximité d'une extrémité (18 ; 53 ; 82) de ladite fibre (14 ; 52 ; 83). Selon l'invention, un tel système de transmission de lumière comprend des moyens d'évacuation au moins partielle d'au moins un mode de gaine hors de ladite fibre optique, solidarisés à ladite fibre optique (14 ; 52 ; 83) entre ladite férule (15 ; 54 ; 81) et ladite extrémité (18 ; 53 ; 82) de ladite fibre (14 ; 52 ; 83), comprenant un cordon (143 ; 55 ; 86) transparent de colle ou de résine sensiblement annulaire faisant saillie autour de ladite fibre (14 ; 52 ; 83).
Description
Système de transmission d'une lumière laser à travers une paroi comprenant un cordon pour évacuer des modes de gaine et procédé de fabrication correspondant 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui des dispositifs optiques. Plus précisément, l'invention concerne un système de transmission de lumière à travers une paroi et un procédé de fabrication d'un tel système. L'invention trouve notamment une application pour la réalisation de diodes lasers packagées ou de modules de pompe laser, utilisés entre autres dans des lasers de puissance ou des amplificateurs répéteurs sous-marins. 2. Etat de la technique Pour passer une fibre optique au travers d'une paroi d'un boitier d'un laser ou d'un module de pompe laser, il est connu de fixer une férule métallique, ou en verre, autour d'une portion de la fibre optique. Cette férule confère de la rigidité à la portion de fibre optique et facilite la fixation, par exemple par soudure, avec la paroi, ce qui garantit l'herméticité du boitier au niveau du passage de fibre optique. Lorsque le couplage entre la source laser et la fibre optique est imparfait, on observe un échauffement de la fibre optique au niveau de la férule, qui entraîne une dégradation du signal lumineux au coeur de la fibre. Cet échauffement résulte de la dissipation du ou des faisceaux lumineux qui se propagent dans la gaine entourant le coeur de la fibre. Pour remédier à cet inconvénient, il est connu de réaliser sur la surface extérieure de la gaine d'une fibre optique des encoches ou des cavités en amont de la férule, pour dévier les faisceaux lumineux se propageant dans la gaine vers l'extérieur de la fibre optique. Les faisceaux lumineux impactant ces aspérités sont ainsi rejetées hors de la fibre optique avant d'atteindre la férule. Un inconvénient de cette technique connue est de fragiliser la fibre optique qui peut se fissurer voire se briser, sous l'effet de contraintes mécaniques, telles que par exemple des vibrations.
Il est également connu de recouvrir une gaine d'une fibre optique d'une couche d'éclats de verre de faible épaisseur, afin d'éviter des réflexions multiples, destinée à dévier les faisceaux lumineux cheminant dans la gaine vers l'extérieur de la fibre optique.
Un inconvénient de cette technique connue est qu'elle ne permet de rejeter vers l'extérieur qu'une faible quantité des faisceaux lumineux se propageant dans la gaine, du fait de l'espace entre les éclats. Une autre technique connue pour dévier vers l'extérieur des faisceaux lumineux se propageant dans une gaine d'une fibre optique, est de coller autour de celle-ci des ailettes en verre. Un inconvénient de cette technique connue est qu'elle est complexe à mettre en oeuvre. 3. Objectifs de l'invention L'invention a donc notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'état de la technique cités ci-dessus. Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir une technique de transmission de lumière à travers une paroi via une fibre optique, qui échauffe peu la fibre optique. L'invention a également pour objectif de fournir une technique de transmission de lumière qui soit simple à mettre en oeuvre et peu coûteuse. Un autre objectif de l'invention est de fournir une technique de transmission de lumière qui soit peu coûteuse. Encore, un objectif de l'invention est de fournir une technique de système de transmission de lumière qui soit fiable et reproductible. 4. Exposé de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints à l'aide d'un système de transmission de lumière à travers une paroi comprenant une fibre optique, présentant un coeur entouré d'une gaine, et une férule, destinée à être fixée à ladite paroi, montée autour de ladite fibre optique à proximité d'une extrémité de ladite fibre optique Il peut s'agir d'un système de transmission de lumière à travers, par exemple, une paroi d'un module de pompe laser, une paroi d'une diode laser packagée ou d'une paroi d'un laser de puissance ou d'un amplificateur. L'invention vise notamment à permettre de réaliser des modules étanches, afin par exemple d'éviter un risque de corrosion ou qu'un faisceau lumineux ne fuite accidentellement vers l'extérieur. Selon l'invention, ce système de transmission de lumière comprend des moyens d'évacuation au moins partielle d'au moins un mode de gaine hors de ladite fibre optique, solidarisés à ladite fibre optique entre ladite férule et ladite extrémité de ladite fibre, comprenant un cordon transparent de colle ou de résine sensiblement annulaire faisant saillie autour de ladite fibre. Ainsi, de façon inédite, l'invention propose une solution particulièrement simple pour évacuer tout ou partie de la puissance lumineuse véhiculée dans la gaine avant qu'elle ne vienne se dissiper dans la férule, consistant à appliquer un cordon de colle ou de résine autour de la fibre optique avant la férule. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, la surface externe dudit cordon forme sensiblement une ellipsoïde de révolution, tronquée au niveau de ladite fibre optique.
Ainsi, du fait de sa forme bombée, le cordon permet de diffuser la lumière se propageant dans la gaine dans toutes les directions hors de la fibre optique, ce qui entraine un échauffement uniforme de la paroi et non seulement au niveau de la férule. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, ledit cordon de résine ou de colle présente une transmittance interne supérieure ou égale à 95% dans l'infrarouge proche. Ainsi, le cordon s'échauffe peu. De façon avantageuse, ledit cordon présente un indice de réfraction supérieur à 1,50.
Ainsi, la plupart de la partie du faisceaux lumineux se propageant dans la gaine pénètrent dans le cordon.
Selon un aspect particulier, l'épaisseur dudit cordon est comprise entre 0,1 et 0,8 millimètre. Ainsi, le montage du système de transmission au travers de la paroi est facilité.
De préférence, l'angle de contact entre ledit cordon et ladite fibre est compris entre 30 et 600 modulo 90°. Dans le cadre de l'invention, on entend par le terme "angle de contact", l'angle formé entre la surface extérieure de la fibre optique et la surface extérieure du cordon sensiblement au niveau d'une extrémité du 10 cordon. Selon un aspect particulier de l'invention, ledit cordon s'étend sur 0,3 à 1 millimètre suivant l'axe de ladite fibre optique. On peut ainsi réaliser un système de transmission compact. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit cordon est 15 un cordon de résine époxy. De façon avantageuse, le taux de dégazage sous vide dudit cordon de résine ou de colle est inférieur ou égal à 10-6Torr.l.s-1.cm-2. Ainsi, les performances du système de transmission et de la source de lumière auquel il est couplé sont faiblement affectées par le dégazage du 20 cordon. De préférence, ledit cordon de résine ou de colle est distant d'au moins 0,2 millimètre de ladite férule. Dans au moins un mode de réalisation particulier de l'invention, ladite fibre optique appartient au groupe comprenant au moins : 25 - fibre optique à gradient d'indice ; - fibre optique à saut d'indice ; - fibre optique à extrémité lentillée. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un système de transmission de lumière à travers une paroi comprenant une fibre 30 optique et une férule destinée à être fixée à ladite paroi, comprenant une étape de montage de ladite férule autour de ladite fibre optique à proximité d'une extrémité de ladite fibre optique. Selon l'invention, ce procédé comprend en outre les étapes suivantes : - dépose d'au moins une goutte de résine ou de colle sur une fibre optique auxiliaire ; - mise en contact d'une portion de ladite fibre optique, située entre ladite férule et ladite extrémité de ladite fibre, avec ladite goutte de résine ou de colle déposée sur ladite fibre auxiliaire, ladite fibre optique auxiliaire étant orientée perpendiculairement à ladite fibre optique ; - déplacement rectiligne de ladite fibre optique auxiliaire suivant son axe, de sorte à désolidariser ladite fibre optique auxiliaire de ladite fibre optique et obtenir un cordon transparent de colle ou de résine sensiblement annulaire faisant saillie autour de ladite fibre optique destiné à évacuer au moins partiellement au moins un mode de gaine hors de ladite fibre optique.
Ce procédé de fabrication simple et reproductible permet de déposer de façon précise un cordon de colle ou de résine de taille définie autour d'une fibre optique d'un système de transmission de lumière à travers une paroi. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, un tel procédé de fabrication comprend une étape de chauffage dudit cordon transparent de colle ou de résine à une température supérieur ou égale à 50°C pendant une durée suffisante pour obtenir une adhérence convenable entre ladite fibre optique et ledit cordon. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de deux modes de réalisation de l'invention, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un exemple de mode de réalisation d'un système de transmission de lumière selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe de l'assemblage hermétique entre la férule et la fibre optique du système de transmission de lumière présenté en référence à la figure 1 ; - la figure 3 est une vue de détail, à proximité de l'extrémité de la fibre optique, du système de transmission présenté en référence à la figure 1 ; - la figure 4 illustre le trajet d'un rayon lumineux au travers du système de transmission de lumière présenté en référence à la figure 1 ; - la figure 5 est une vue schématique d'un autre exemple de mode de réalisation d'un système de transmission de lumière selon l'invention ; - la figure 6 illustre le trajet d'un rayon lumineux au travers du système de transmission présenté en référence à la figure 2 ; - la figure 7 illustre, sous forme de diagramme, les étapes d'un procédé de réalisation d'un système de transmission de lumière selon l'invention ; - la figure 8 est une illustration de la mise en oeuvre des étapes du procédé de réalisation présenté en référence à la figure 7. 6. Description détaillée de l'invention 6.1 Exemple d'un mode de réalisation de l'invention On a illustré sur la figure 1 un système de transmission de lumière 10 selon l'invention à travers une paroi 11 d'une diode laser 13 packagée connue en soi.
Ce système de transmission de lumière 10 comprend une fibre optique 14 à saut d'indice, de diamètre extérieur 125 pm, s'étendant de part et d'autre de la paroi 11. Une férule en nickel 15 est montée autour d'une portion de la fibre optique 14. Cette férule 15 est scellée hermétiquement à la fibre 14 par un dépôt de résine époxy 161, réalisé à son extrémité située du côté extérieur de la paroi 11, et par une brasure Au/Sn 16 résistant à des températures supérieures à 320 °C, réalisée à son extrémité tournée vers la diode packagée. Elle est par ailleurs soudée sur sa face extérieure à la paroi 11. Comme on peut le voir plus en détails sur la figure 2, qui présente une coupe de l'assemblage entre la férule 15 et la fibre 14, centrée sur la brasure 16, une couche de métallisation en or 21 et 22 a été préalablement déposée respectivement autour de férule 15 et autour d'une partie de la gaine 142 de la fibre optique 14, afin d'assurer un mouillage convenable de la fibre optique 14 et de la férule 15. La brasure 16 permet ainsi d'obtenir un scellement hermétique entre la fibre optique 14 et la férule 15, présentant un taux de fuite sensiblement inférieur à 5.0x10-8 cm3.atmis en détection de fuite d'Hélium. Le faisceau lumineux 17 émis par la diode laser 13 est injecté par l'extrémité 18 dans la fibre optique 14. Le couplage entre la diode 13 et la fibre optique 14 étant imparfait, une partie des rayons lumineux du faisceau 17 pénètre avec un angle d'incidence non normal dans le coeur 141 en silice de la fibre optique, et se propage dans la gaine 142 en silicone de la fibre optique 14, entourant le coeur 141. Afin d'évacuer les rayons lumineux se propageant dans la gaine 142 vers l'extérieur de la fibre optique 14, un cordon annulaire transparent 143 de résine époxy, de transmittance dans l'infrarouge égale à 97%, a été déposé autour de la gaine 142 entre l'extrémité 18 de la fibre optique 14 et la férule 15. Ce cordon 143 présente une épaisseur maximale 0,5 millimètre et s'étend le long de la gaine 142 sur une longueur de 0,8 millimètre, ce qui suffit pour évacuer vers l'extérieur une partie de la puissance lumineuse se propageant dans la gaine 142, à hauteur de 5W. La figure 3 est une vue de détail de la zone proche de l'extrémité 18 de la fibre optique 14. Comme on peut le voir sur la figure 3, la surface extérieure 32 du cordon annulaire 143 présente avantageusement la forme d'une ellipsoïde de révolution tronquée au niveau de la fibre optique 14, afin de pouvoir diffuser de la lumière dans toutes les directions. Par ailleurs, l'angle de contact EI entre la gaine 142 et le cordon 143, est sensiblement égal à 600.
On peut également voir sur la figure 3, que ce cordon 143 est distant, dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, de 0,3 millimètre de la férule 15 et de 0,4 millimètre de l'extrémité 18 de la fibre optique 14. La figure 4 présente le trajet de deux rayons lumineux 41 et 45 résultant du couplage imparfait entre la fibre optique 14 et la diode laser 13, impactant l'extrémité 18 de la fibre optique 14 avec un angle d'incidence 0 sensiblement égal à 45°. Du fait que leur angle d'incidence important, la propagation de ces rayons lumineux n'est alors pas confinée dans le coeur 141 en silice. Le rayon lumineux 41 qui impacte le centre du coeur 141 se réfracte à l'extrémité 18 et se propage en ligne droite dans le coeur 141, d'indice de réfraction égal à 1,46, avant d'impacter l'interface 42 entre le coeur 141 et la gaine 142 avec un angle d'incidence sensiblement égal à 60°. Ce rayon se réfracte à nouveau et se propage dans la gaine 142, d'indice de réfraction égal à 1,41, puis se réfracte une nouvelle fois au niveau de l'interface 43 entre la gaine 142 et le cordon 143, dont l'indice de réfraction est égal à 1,55 et supérieur à celui de la gaine 142. Après s'être propagé à travers le cordon 143, le rayon 41 est réfléchi à l'interface 44 avec l'extérieur, du fait que son angle d'incidence est supérieur à l'angle critique.
L'interface 44 étant avantageusement bombée, le rayon 41 revient sur l'interface 43 avec un angle d'incidence supérieur à l'angle critique. Le rayon 41 est alors réfléchi au niveau de l'interface 43 et se propage à nouveau à travers le cordon 143. Ce rayon 41 impacte une seconde fois l'interface 43 avec un angle d'incidence proche de 90°. Une partie de la lumière transportée sur le rayon 41 est alors extraite du cordon 143, tandis que l'autre partie est réfléchie à l'intérieur de l'interface 43. Le rayon lumineux 45, parallèle au rayon 41, impactant l'extrémité 18 de la fibre optique 14 au bord du coeur 141, se propage de manière sensiblement similaire dans la fibre optique 14 puis dans le cordon 143. Cependant, dès le premier impact avec l'interface extérieure 43 du cordon 143, une partie de la lumière du rayon 45 est extraite du cordon 143 compte-tenu de l'angle d'incidence du rayon 45 avec l'interface 43. 6.2. Autre exemple de mode de réalisation de l'invention La figure 5 illustre un autre exemple de mode de réalisation d'un système de transmission de lumière 51 selon l'invention. Le système de transmission de lumière 51 comprend une fibre optique 52 présentant deux gaines 521, 522 entourant un coeur 520, destinée à guider un faisceau lumineux 58, injecté à l'extrémité lentillée 53 de la fibre 52, à travers la paroi 59 d'un module laser compact 510. Un cordon 55, sensiblement annulaire entoure avantageusement la fibre 52 entre l'extrémité 53 et la férule 54. Ce cordon 55, espacé de l'extrémité 53 et de la férule 54, permet d'extraire une partie du faisceau lumineux se propageant dans la gaine extérieure 521 de la fibre 52.
Il convient de noter que l'extrémité de la férule 54 tournée vers le cordon 55 est fixée à la fibre 52, du côté du cordon 55, par un scellement 56 en verre, ayant une forme bombée. La seconde extrémité de la férule 54 est dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, fixée hermétiquement à la fibre optique 52 par un dépôt circulaire de résine époxy 57.
La figure 6 illustre la propagation d'un rayon lumineux 61 impactant le coeur 62 de la fibre 52 multigaine avec un angle 0 de 30° par rapport à l'axe 66 de la fibre 52. Le rayon lumineux 61 se propage successivement dans le coeur 62, les deux gaines 522 et 521 et traverse l'interface 64 avec le cordon 55. Une partie de la lumière du rayon 61 est évacuée vers l'extérieur du cordon 55 au niveau de l'interface 65 du cordon 55 avec l'extérieur, qui présente une forme avantageusement concave. 6.3. Exemple de procédé de fabrication d'un système de transmission de lumière selon l'invention La figure 7 représente schématiquement, sous forme d'un diagramme, les cinq étapes, illustrées en figure 8, d'un exemple de procédé de fabrication d'un système de transmission de lumière selon l'invention. Dans une première étape 71, illustrée en figure 8a, on monte une férule 81 à proximité d'une extrémité lentillée 82 d'une fibre optique 83 de diamètre 125 pm. Ensuite, lors d'une deuxième étape 72, illustrée en figure 8b, une goutte de résine époxy liquide 84 est déposée sur une fibre optique auxiliaire 85, également de diamètre 125 pm, à proximité de l'extrémité 851. En maintenant la fibre optique 83 par l'intermédiaire de la férule 81, la fibre optique auxiliaire 85 est orientée perpendiculairement à la fibre 83, afin de mettre en contact la goutte de résine 84 avec une partie de la fibre 83, située entre la férule 81 et l'extrémité 82, lors d'une troisième étape 73, illustrée en figure 8c. Le volume de résine 84 se répand alors de façon symétrique entre les fibres 83 et 85 sous la forme d'un carré. La fibre optique auxiliaire 85 est ensuite désolidarisée de la fibre 83, lors d'une quatrième étape 74, illustrée en figure 8d, en effectuant un déplacement rectiligne de la fibre 85 suivant son axe. Il convient de noter que les étapes 72 à 74 sont avantageusement réalisées sous microscope. Dès lors que la fibre optique auxiliaire 85 est entièrement retirée du volume de résine 84, la goutte de résine prend la forme d'un cordon transparent 86 sensiblement annulaire faisant saillie autour de la fibre optique 83, entre l'extrémité lentillée 82 et la férule 81, tel qu'illustré sur la figure 8e. Lors d'une dernière étape 75, le cordon 86 est chauffé à 55°C pendant 12h, afin de le solidifier et d'atteindre l'adhérence maximale sur la fibre optique 83.
Dans une variante de ce mode de réalisation particulier de l'invention, il peut être prévu de laisser reposer le cordon transparent 86 sur la fibre 83 pendant une durée de 1 semaine à température ambiante.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Système de transmission de lumière (10 ; 51) à travers une paroi (11 ; 59) comprenant une fibre optique (14 ; 52 ; 83), présentant un coeur (141 ; 62) entouré d'une gaine (142 ; 521, 522), et une férule (15 ; 54 ; 81), destinée à être fixée à ladite paroi (11 ; 59), montée autour de ladite fibre optique (14 ; 52 ; 83) à proximité d'une extrémité (18 ; 53 ; 82) de ladite fibre optique (14 ; 52 ; 83), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'évacuation au moins partielle d'au moins un mode de gaine hors de ladite fibre optique (14 ; 52 ; 83) solidarisés à ladite fibre optique (14 ; 52 ; 83) entre ladite férule (15 ; 54 ; 81) et ladite extrémité (18 ; 53 ; 82) de ladite fibre (14 ; 52 ; 83), comprenant un cordon (143 ; 55 ; 86) transparent de colle ou de résine sensiblement annulaire faisant saillie autour de ladite fibre (14 ; 52 ; 83).
- 2. Système de transmission de lumière selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface externe dudit cordon (143 ; 55 ; 86) forme sensiblement une ellipsoïde de révolution, tronquée au niveau de ladite fibre optique (14 ; 52 ; 83).
- 3. Système de transmission de lumière selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit cordon (143 ; 55 ; 86) de résine ou de colle présente une transmittance interne supérieure ou égale à 95% dans l'infrarouge proche.
- 4. Système de transmission de lumière selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit cordon (143 ; 55 ; 86) présente un indice de réfraction supérieur à 1,50.
- 5. Système de transmission de lumière selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'épaisseur dudit cordon (143 ; 55; 86) est comprise entre 0,1 et 0,8 millimètre.
- 6. Système de transmission de lumière selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'angle de contact entre ledit cordon (143 ; 55 ; 86) et ladite fibre (14 ; 52 ; 83) est compris entre 30 et 60° modulo 90°.
- 7. Système de transmission de lumière selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit cordon (143 ; 55 ; 86) s'étend sur 0,3 à 1 millimètre suivant l'axe de ladite fibre optique (14 ; 52 ; 83).
- 8. Système de transmission de lumière selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit cordon (143 ; 55 ; 86) est un cordon de résine époxy.
- 9. Système de transmission de lumière selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le taux de dégazage sous vide dudit cordon (143 ; 55 ; 86) de résine ou de colle est inférieur ou égal à
- 10-6 Torr.l.s-1.cm-2. 10. Système de transmission de lumière selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit cordon (143 ; 55 ; 86) de résine ou de colle est distant d'au moins 0,2 millimètre de ladite férule (15 ; 54 ; 81).
- 11. Procédé de fabrication d'un système de transmission de lumière (10 ; 51) à travers une paroi (11 ; 59) comprenant une fibre optique (14 ; 52 ; 83) et une férule (15 ; 54 ; 81) destinée à être fixée à ladite paroi (11 ; 59), comprenant une étape de montage (71) de ladite férule (15 ; 54 ; 81) autour de ladite fibre optique (14 ; 52 ; 83) à proximité d'une extrémité (18 ; 53 ; 82) de ladite fibre optique (14 ; 52 ; 83), caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes : - dépose (72) d'au moins une goutte de résine ou de colle (84) sur une fibre optique auxiliaire (85) ; - mise en contact (73) d'une portion de ladite fibre optique (14 ; 52 ; 83), située entre ladite férule (15 ; 54 ; 81) et ladite extrémité (18 ; 53 ; 82) de ladite fibre (14 ; 52 ; 83), avec ladite goutte de résine ou de colle (84) déposée sur ladite fibre auxiliaire (85), ladite fibre optique auxiliaire (85) étant orientée perpendiculairement à ladite fibre optique (14 ; 52 ; 83) ; - déplacement rectiligne (74) de ladite fibre optique auxiliaire (85) suivant son axe, de sorte à désolidariser ladite fibre optique auxiliaire (85) de laditefibre optique (14 ; 52 ; 83) et obtenir un cordon (143 ; 55 ; 86) transparent de colle ou de résine sensiblement annulaire faisant saillie autour de ladite fibre optique (14 ; 52 ; 83) destiné à évacuer au moins partiellement au moins un mode de gaine hors de ladite fibre optique (14 ; 52 ; 83).5
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