Brevet FR2080894A1 — publié le 19711126

La présente invention est relative, de façon générale, à des structures de verre guidant la lumière j elle concerne, plus particulièrement, une structure de verre guidant la lumière, présentant une distribution de l'indice de réfraction variant de façon 5 continue dans des plans perpendiculaires à l'axe optique de la structure de verre. On a récemment entrepris des recherches intensives sur les communications lumineuses utilisant la lumière des laser. Par exemple, une fibre de verre ou une barre de verre guidant la lu-10 mière (appelée fibre convergente guidant la lumière dans la suite) est décrite dans la publication préalable 85-5» page 70, pour la convention nationale de Denshi Tsushin G-akkai (Académie des communications électroniques du Japon) en 1969, comme comportant une région voisine de son axe central présentant dans un plan 15 transversal perpendiculaire à l'axe optique dè la dite fibre, une distribution de l'incide de réfraction, telle que ledit indice diminue proportionnellement au carré de la distance mesurée à partir de l'axe central. Les principaux avantages d'une telle fibre résident dans le fait qu' elle est complètement dépourvue des 20 effets dus à l'atmosphère extérieure et qu'elle peut être pliée librement chaque fois que cela est nécessaire. En outre, le procédé fondamental utilisé pour produire cette fibre de verre guidant la lumière est également décrit dans la demande de brevet américairen0 806 568, déposée le 12 Mars 1969-25 Selon ce procédé, on provoque'soit un échange ionique entre le verre et un bain de sel fondu, soit des diffusions mutuelles de cations entre deux espèces de verre présentant des compositions différentes, de façon à obtenir une distribution désirée de la concentration des oxydes modificateurs par diffusion- thermique 50 de cations. Cependant, le proc.édé décrit dans la demande de brevet mentionnée ci-dessus requiert une période de diffusion mutuelle des cations extrêmement longue. x L'invention a, par conséquent, en premier lieu pour obget un procédé perfectionné de production continue d'une fibre de 55 verre guidant la lumière du type décrit ci-dessus. Elle a également pour objets: - un procédé perfectionné de production d'une fibre de verre guidant la lumière, dans lequel la période relativement longue requise pour la diffusion mutuelle de cations dans le procédé 40 classique est considérablement raccourcie} 70 47361 2080894 - un procédé perfectionné de production d'une fibre de verre guidant la lumière, dans lequel on combine en une seule étape la phase d'étirage de la fibre de verre et la phase des diffusions mutuelles ; 5 - un procédé perfectionné de production d'une fibre de verre guidant la lumière, dans lequel la partie centrale intérieure et une couche extérièure de la fibre de verre sont respectivement étirées à partir d'une buse intérieure et d'une buse annulaire extérieure j 10 - un procédé perfectionné de production d'une fibre de verre guidant la lumière, dans lequel on forme plusieurs parties centrales intérieures au moyen de plusieurs buses situées à l'intérieur de la buse annulaire pour former la couche extérieure des fibres de verre ; et 15 - un procédé perfectionné de production d'une fibre de verre guidant la lumière, dans lequel l'extrémité d'une buse centrale destinée à produire la partie intérieure centrale de la fibre de verre se trouve en retrait par rapport à l'extrémité d'une buse annulaire extérieure à partir de laquelle est produite la couche 20 de revêtement extérieure de la fibre de verre, de sorte qu'une diffusion thermique d'ions contenus dans ces deux portions de la fibre de verre est principalement provoquée à travers la surface de'séparation entre les deux parties dans la région comprise entre la buse centrale et l'extrémité de la buse annulaire. 25 Selon l'invention, on peut atteindre, entre autres, les buts énraaérés ci-dessus, par un procédé perfectionné de production • d'une fibre de verre guidant la lumière, consistant à étirer du verre fondu contenu dans un premier réservoir et renfermant des ions ayant un degré de contribution supérieur à l'indice de ré-30 fraction, à travers une buse centrale reliée à la sortie du premier réservoir, ce qui permet de former ainsi une partie centrale de la fibre de verre, à éjecter du verre fondu contenu dans un second réservoir et renfermant des ions présentant un degré de contribution inférieur à l'indice de réfraction, à partir d'une 35 buse annulaire reliée à la sortie du second réservoir afin de recouvrir le noyau central de verre de façon continue» l'extrémité de la buse centrale occupant une position axiale en retrait par rapport à l'extrémité de la buse annulaire, de sorte qu'il se développe une diffusion thermique mutuelle d'ions contribuant 40 plus fortement à l'indice de réfraction, et 4*ions contribuant 70 47361 3 2080894 plus faiblement à l'indice de réfraction à travers la surface de séparation des deux espèces de verres qui se trouvent dans la région séparant ces deux extrémités. L'invention sera décrite en regard du dessin annexé dans 5 lequel: La figure 1 est une coupe longitudinale présentant tm dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de production d'une fibre guidant la lumière selon l'invention ; et Les figures 2a et 2b sont des représentations graphiques 10 des variations de l'indice de réfraction dans des verres obtenus pendant le procédé selon l'invention. Selon un mode d'exécution préféré de l'invention, on dispose deux types de buses de telle façon que l'une se trouve au centre et que l'autre, de forme annulaire, entoure coaxialement 15 la première buse. On envoie respectivement, à travers ces buses intérieure et extérieure, des verres fondus de compositions différentes, dont l'un renferme des ions contribuant fortement à l'indice de réfraction, tels que des ions Tl, et l'autre des ions contribuant moins à l'indice de réfraction, tels que des 20 ions Li, Na, K, Eb et Os, de façon à former ainsi une fibre de verre comprenant deux régions. Dans cette fibre de verre,on provoque des diffusions mutuelles d'ions à travers la surface de séparation entre les deux couches, de sorte que l'on obtient une distribution de l'indice 25 de réfraction dans un plan perpendiculaire à l'axe optique de la fibre de verre, telle que l'indice diminue de façon continue à partir d'une certaine valeur au centre de la fibre de verre, vers l'extérieur, jusqu'à la partie périphérique de la fibre. Le procédé selon l'invention est mis, par conséquent, en 30 oeuvre en plaçant un premier verre fondu renfermant des ions contribuant plus fortement à l'indice de réfraction, tels que des ions Thallium, dans un premier réservoir relié à la buse centrale, et un second verre fondu renfermant des ions contribuant moins à l'indice de réfraction, tels que des ions Li, Na, K, Eb, 35 ou Cs, dans un second réservoir relié à la buse annulaire, de façon que le verre fondu qui s'écoule de la buse annulaire recouvre de façon continue le verre coulant de la buse centrale. Dans ce cas, l'extrémité inférieure de la buse centrale se trouve en une position supérieure à celle de l'extrémité infé-40 rieure de la buse annulaire, et l'on provoque, à travers la 70 47361 2080894 sur face de séparation ainsi formée entre le premier type de Terre et le second type de verref dans la région cylindrique séparant les extrémités des deux buses, des diffusions thermiques mutuelles des ions contribuant plus fortement à l'indice de ré-5 fraction et des ions contribuant plus faiblement à l'indice de réfraction, ce qui permet d'obtenir une distribution de l'indice de réfraction, dans un plan de section transversale perpendiculaire à l'axe optique de la fibre de verre, telle que l'indice diminue progressivement du centre de la fibre de verre vers sa iO partie périphérique. Il se produit également une certaine diffusion thermique mutuelle dans le verre étiré à partir de la buse annulaire. La distance axiale séparant l'extrémité de la buse annulaire de l'extrémité de la buse centrale dépend du diamètre de la 15 fibre de verre à produire et également de la distribution d'indice de réfraction désirée. Cependant, cette distance est en général supérieure à 2 mm et, de préférence, supérieure ou égale à 5 mm. Selon la présente invention, la distance séparant l'extré-20 mité de la buse centrale et l'extrémité de la buse annulaire est9 de préférence, réglée de façon compatible avec la condition suivante: la distribution de l'indice de réfraction doit être telle que la diffusion ionique mutuelle à travers la surface de séparation entre le verre central étiré à partir de la buse centrale 25 et le verre de revêtement mis en contact avec ladite buse centrale, diminue sensiblement proportionnellement au carré de la distance à l'axe central, dans un plan de section transversale perpendiculaire à 11 axe optique de la fibre de verre obtenue, particulièrement au moins au voisinage dudit axe central. 30 Saas le procédé selon, l'invention, le nombre de buses cen trales peut être égal à 19 selon la description précédente, ou supérieur à 1s les buses-étant alors montées en parallèle. Dans ce dernier cas, chacun des noyaux de verre de la masse centrale qui s'écoule des différentes buses centrales est séparé des 35 autres et entouré séparément par le second type de verre découlant de la buse annulaire. Dans ce dernier cas également, il se produit une diffusion ionique mutuelle entre les deux types de verre à travers les surfaces de séparation. Les cations monovalents que l'on peut faire diffuser mutuelle lement à travers la surface de séparation sont classés dans 70 47361 5 2080894 l'ordre suivant, en fonction de leur degré de contribution à l'indice de réfraction et en partant du cation qui présente la plus forte contribution, Tl, Li, E, Fa et Eb. Entre E, Na et Eb, il n'existe pas de différences importantes quant à leur contribu-5 tion à l'indice de réfraction. De plus, lorsqu'on choisit le Terre central et le Terre de revêtement pour provoquer une diffusion mutuelle de cations di-Talents, on peut disposer les ions divalents dans l'ordre: Fb, Ba, Cd, Sr, Ca, Zn, Be, Mg, 10 selon leur degré décroissant de contribution à l'indice de réfraction, c'est-à-dire, successivement, depuis les ions divalents présentant la plus forte contribution vers ceux qui présentent la plus faible contribution. Selon l'invention, les étapes selon lesquelles on obtient 15 la distribution d'indice de réfraction désirée et la structure composite de la fibre de verre désirée sont groupées en une seule étape, ce qui permet non seulement de réduire la période requise pour les opérations, mais également de simplifier l'appareil destiné à produire la fibre de verre. 20 Avec référence à présent à la figure"1, le verre central 1 est un verre fondu renfermant des ions Tl et comprenant, en pourcentage molaire, par exemple 70,3% de Si02» 17,0% de HagO, 3,3% de TlgO et 9*4% de FbO, l'indice de réfraction du verre étant égal à 1,60. Le verre fondu 1 devant former la masse cen-25 traie est contenu dans un pot 11 constituant le premier réservoir mentionné plus haut. Une autre espèce de verre fondu 2 devant former une couche de revêtement périphérique entourant le verre 1 renferme au moins une espèce d'ion choisie parmi les ions Li» Ha, E, Eb et 0s et se compose, par exemple, en pourcen-30 tage molaire, de 70,5% de Si0.2, 17,0% de Fa20, 3,5% de EgO, 9,0% de FbO, l'indice de réfraction du verre étant de 1,56. Le verre fondu 2 destiné à la couche de revêtement est contenta dans un pot 12 constituant le second réservoir. On prévoit, pour les deux pots 11 et 12, des appareils de 35 chauffage 13 pour maintenir les verres renfermés dans ces pots à l'état fondu. Bien que ces appareils de chauffage soient, de préférence, de. type électrique, on peut, bien entendu, utiliser aussi d'autres types d'appareils de chauffage. La partie inférieure du pot 11 est rétrécie à une extrémité 40 formant une buse centrale, et la partie inférieure du pot 12 70 47361 6 2080894 est rétrécie en une extrémité formant une buse annulaire entourant concentriquement le verre fondu 1 sortant de la "buse centrale. Avec l'agencement décrit ci-dessus, le verre fondu 1 qui sort de la buse centrale^devient la partie centrale d'une 5 fibre de verre et le verre fondu 2 qui sort de la buse annulaire devient la couche de revêtement extérieure de la fibre. Pour prolonger la durée pendant laquelle les deux espèces de verre à l'état fondu sont maintenues en contact, de façon que les diffusions mutuelles de cations établissent la 10 distribution désirée de l'indice de réfraction, la buse annulaire est disposée dans une position inférieure à celle de la buse centrale. Plus particulièrement, la buse annulaire extérieure se prolonge davantage en aval au-delà de la buse centrale, de façon à entourer la buse centrale» Ainsi, le 15 verre 1 est recouvert» après avoir été étiré de la buse centrale, par le second type de verre 2 qui forme une couche extérieure de revêtement faisant corps avec la masse de verre central, et les verres ainsi combinés sont étirés au moyen de deux rouleaux 14, ce qui permet d'obtenir une fibre de 20 verre 3 de diamètre désiré. Il est bien connu que la vitesse de diffusion des ions à travers la surface de séparation entre les deux types de verres est plus élevée lorsque les ions sont des cations monovalents. D'autre part, lorsqu'on veut réaliser une distribu-25 tion désirée de l'indice de réfraction dans la fibre de verre pour lui communiquer une forte caractéristique de guidage de la lumière», il faut provoquer des diffusions entre au moins deux espèces de cations présentant une grande différence de facteur de .polarisation électronique par unité de volume, 30 par exemple des ions T1 et n'importe quelle espèce d'ions choisis pariai les ions Li, Fa, K, Pb et Cs, comme il est décrit en détail dans la demande de brevet sus-mentionnée. Les figures 2a et 2b indiquent des exemples de distributions de l'indice de réfraction obtenues à différents stades de la 35 diffusion mutuelle de cations. La figure 2a représente une distribution d'indice de réfraction de la fibre de verre à un instant initial où les deux sortes de verres à l'état fondu sont mis en contact entre eux, la distribution étant calculée sur la base de la vitesse des diffusions des cations. La figure 2b 70 47361 7 2080894 représente une distribution effectivement mesurée de l'indice de réfraction dans un exemple préféré de la fibre de verre, après achèvement du stade de diffusion. La distribution indiquée sur la figure 2b est une distribution sensiblement parabolique 5 vérifiant l'équation: a - aQ (1 - ar2), où n est l'indice de réfraction en un point courant, nQ, l'indice de réfraction au centre de la fibre de verre, r la distance du centre de la fibre de verre audit point, et a une constante 10 positive. Une fibre de verre présentant cette distribution de l'indice de réfraction est fort utile comme trajet de transmission dans les communications par lumière ou comme nouvelle structure à effet de lentille dans les techniques optiques ou de traitement de l'information. 15 Dans le plan de section transversale de ladite fibre de verre, la concentration en ions ayant une contribution plus forte à l'indice de réfraction, par exemple la concentration en ions thallium, diminue graduellement du centre vers la périphérie, et la concentration en ions présentant une contribution 20 inférieure à l'indice de réfraction, par exemple la concentration en ions alcaline, augmente graduellement du centre à la périphérie. La distribution de concentration des deux espèces d'ions forme ladite distribution de l'indice de réfraction. Pour déterminer les conditions de fonctionnement requises 25 poux obtenir une fibre de verre guidant la lumière, présentant une distribution parabolique de l'indice de réfraction selon l'invention, on détermine expérimentalement à différentes températures, les coefficients de diffusion des ions T1 dans le noyau central de la composition décrite ci-dessus, à travers la 30 surface de séparation entre la masse de verre centrale et la couche extérieure qui la recouvre. Les résultats sont indiqués dans le tableau 1 ci-dessous. TABLEAU 1 55 40 ^Température °C ^Viscosité du verre de laCoefficient de diffusasse centrale (poises) :sion des ions T1 : lO5,2 : 2. 10^ >—6 900 1000 1100 1200 105,5 102>9 102»5 4. 10 8. 10' 1. 10' -6 -5 70 47361 8 2080894 Le tableau 2 ci-dessous indique, poui différentes températures, les périodes de contact entre le verre de la masse centrale et celui de la couche extérieure, présentant les compositions décrites ci-dessus pour produire par filage une fibre de 5 verre convergente guidant la lumière à partir de ces verres à l'état fondu, TABLEAU 2 • * : 'Température ; c°c) • : : t> Période de contact (mn) Lorsqu'on utilise une bu-'Lorsqu'on utilise une bu se annulaire de 3 mm de :se7cle 2 mm de diamètre diamètre intérieur et unejintérieur et une extré-;extrémité intérieure de 'mité intérieure de ;1,5 de diamètre. .1,0 mm de diamètre. • Ï 900 s 6 s 3 : 1000 ; 3 ! 1,5 : 1100 : 2 : 1,0 ! i2oo ; 1,5 ; o,8 Pour effectuer un filage permanent de la fibre de verre tout en obtenant la diffusion ionique requise, on doit choisir 20 de façon appropriée la profondeur de l'extrémité de la buse centrale par rapport à l'extrémité de la buse annulaire extérieure, ou en d'autres termes la longueur axiale de la partie de diamètre réduit de la buse annulaire, lorsque l'extrémité supérieure de sa partie à diamètre réduit est dans le même pian 25 que l'extrémité de la buse centrale. Par exemple, lorsqu'on utilise un pot extérieur présentant un diamètre intérieur réduit à 3 mm et un diamètre d'extrémité intérieure de 1,5 mm, on peut effectuer un filage stable de la fibre de verre convergente guidant la lumière à une température voisine de 900°C, avec une Ion— 30 gueur de la portion de diamètre réduit de la buse extérieure de 9 mm. Si la vitesse de filage de la fibre de verre est choisie égale à 8S5 c®- à la minute, on peut obtenir une fibre de verre présentant un diamètre extérieur de 0,4- mm et un diamètre intérieur de 0,2 mm. 35 Comme autre exemple, lorsqu'on utilise un pot extérieur rétréci en tant que buse annulaire présentant un diamètre intérieur de 2,0 ami et un diamètre d'extrémité intérieure de 1,0 mm, on peut effectuer un filage stable d'une fibre de verre convergente guidant la lumière de 0,4 mm de diamètre extérieur et de 70 47361 9 2080894 0,2 m de diamètre intérieur à 1000°C, la vitesse de filage étant de 9»2 cm à la minute, avec une longueur de la partie à diamètre réduit de la "buse extérieure de 11 mm. Dans les fibres de verre correspondant à tous les cas, 1'indice de réfraction du plan de section transversale au voisinage du centre, plus précisément dans une partie centrale de 15 microns de diamètre, vérifie la formule mentionnée précédem- —2 ment lorsque la constante a est égale à 0,65 raa . 70 47361 10 2080894 REVENDICATIONS 1.- Procédé de production continue d'une fibre de verre guidant la lumière, dans laquelle l'indicé de réfraction dans un plan perpendiculaire à l'axe optique de ladite fibre est distribué de 5 telle façon qu'il diminue de façon continue vers l'extérieur,à partir d'une certaine valeur au centre jusqu'à la périphérie, ledit procédé étant caractérisé en ce que l'on fait écouler une jce-mière espèce de verre fondu renfermant des ions présentant un degré supérieur de contribution à l'indice de réfraction, à travers 10 au moins une buse centrale pour former la partie centrale de la fibre de verre, et une seconde espèce de verre fondu renfermant des ions contribuant moins à l'indice de réfraction, à travers un second orifice pour former une couche de revêtement extérieure entourant ladite partie centrale de la fibre de verre, l'extrémité de la première buse centrale étant décalée vers l'amont, 15 de l'extrémité de la seconde buse, par rapport au sens d'écoulement des verres fondus, de façon à provoquer une diffusion thermique mutuelle importante desdits ions à travers la surface de séparation entre les deux espèces de verres, dans la région séparant les deux extrémités des première et seconde buses. 20 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une seule première buse centrale est disposée concentriquemeat par rapport à la seconde buse. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise plusieurs buses centrales en parallèle, leurs ex- 25 trémités se trouvant dans des positions en retrait par rapport au second orifice. 4.~ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance de l'extrémité de la première buse à l'extrémité de la seconde buse est supérieure à 2 mm, et, de préférence, supé- 30 rieure à 5 ®m« 5»- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3? caractérisé en ce que ladite première espèce de verre renferme des ions thallium (Tl). 6.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 35 la seconde espèce de verre fondu renferme des ions d'au moins une espèce, choisis dans le groupe comprenant les ions Li» Fa, E, Eb, et Cs. 7*- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'indice de réfraction qui diminue graduellement depuis la par-40 tie centrale vers la partie périphérique décroît sensiblement proportionnellement au carré de la distance à l'axe central, au moins au voisinage dudit axe central. i !