Brevet FR2249847A1 — publié le 19750530

L'invention concerne un dispositif et un procédé de fabrication de fibres de verre. Il s'agit de fibres utilisées pour la transmission de la lumière dans un canal de guidage où elle reste concentrée grâce à la valeur dc l'indice de réfraction du verro. De telles fibres à très faibles pertes permettent la réalisation de télécommunications optiques. tes méthodes de fabrication connues présontent divers inconvénients portant principalemont sur le défaut do purcté du verre des fibres ainsi produites, entraidant des pertes de transmission de la lumière. Parmi ces méthodes, on pcut citer celle dito-du crcusot, dans laquelle on procède par étirement d'une goutte dc verre fendu issuc d'un orifice percé à la base d'un creuset placé dans un four de type classique. Son principal inconvénient résidc dans la pollution apportée au verre sous formc d'ions métalliques provenant du creuset. On évitc en partie cet inconvénient on cmployant la méthode dite de la "préforme" dans laquellc on chauffe un barreau cylindrique de verre en le préservant autant que possible dc contacts avec des corps étrangers au moins dans la partie portée à haute température. Le diamètre du barreau est dc l'ordre dc 100 à 1000 fois plus grand que le diamètre de la fibre que l'on tire de lui, celle-ci ayant un diamètre de l'ordre de la centaine de microns. Dans le cas de fibres dites gainées, comportant des parties concentriques d'indices différents, la préformc est constituée d'un premier barreau de verre dont la surface citerne épouse étroitement la surface cylindrique interne d'un deuxième barreau de verre comportant une partie creuse. tes procédés utilisés pour le chauffage des préformes présentent des inconvénients résiducls importants - les fours classiques ne permettent pas dc traiter tous les verres, en particulier la silice purc exigeant une températurc minimale de 20000 C pour pouvoir entre étirée en fibre (températurc dite de "fibrage"). - les dispositifs à torche annulaire basés sur le principe du chalumeau à hydrogène-oxygène, outre les servitudes habituelles des appareils à flamme et leur mauvais rendement énergétiquc, présentent l'inconvénient dc créer, autour de la préformc une atmosphère riche en ions OH qui diffusent dans le verre. Il en résulte une absorption sélective dc la lumière dans un large domaine de longueurs d'onde - les dispositifs dc torches à plasma d'argon entretenu par de l'énergie électrique de haute fréquence sont dc gros consonmateurs d'argon et d'électricité ; en outre, l'existence d'un fort débit d'argon nuit à la stabilité de la fibre, et par con séquent à la régularité de celle-ci. L'invention remédie à ces inconvénients. te dispositif selon l'invention, comportant des moyens de chauffage d'une masse de verre, des moyens d'extraction d'au moins une fibre de verre et des moyens de stockage de fibre de verre, est caractérisé en ce que lesdits moyens de chauffage comportent un générateur dc rayonnement électromagnétiquc de haute fréquence débitant sur une cavité résonante-, ladite-cavité contenant au moins une partie de ladite masse de verre présentant au moins un orifice de couplage avec le générateur et au moins un orifice permettant l'extraction de ladite fibre de verre. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristi quels apparaîtront au moyen de la description qui suit et des dessins qui l'accompagnent parmi lesquels 1e figure 1 représente un exemple de réalisation de l'in vention la figure 2 représente en coupe une variante d'une partie du dispositif da la figure 1 la figure 3 représente le principe d'une variante du procédé utilisé dans les dispositifs des figures 1 et 2. La figure 1 représente un exemple de réalisation de l'invention. Un guide d'onde 1 comporte une cavité résonnante 2 accordéc, par ses dimensions, à la fréquence de fonctionnement du guide on a représ. nté, à titre exemple, un guide à section rectangulaire dans lequel on a constitué, entrc deux sections droites, un parallèlépipède dont quatre faces sont donc confondues avec les parois du guide et deux faces parallèles à la section droite, sont des parois métalliques 21 ct 22 percées en leur centre d'o orifice 210 et 220 destinées à coupler la cavité avec le reste du guide.Entre les parois 21 et 22 on trouve une distance qui représente environ la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement dans le guide : on sait que celle-ci est différente de la longueur d'onde dans l'air (supérieure à celle-ci de 40% dans le cas d'un guide de section rectangulaire de 7 cm sur 3 cm à 3000 MHz) . Deux ouvertures 23 et 24 ont été pratiquées dans le guide pour permettre le passage d'un barreau de verre 13 d'un diamètre ntexcédant pas une fraction de la longueur d'onde de fonctionnement (par exemple de tordre du quart). Ces ouvertures sont placées on vis-à-vis de telle sorte que l'axe du barreau introduit dans le guide soit confondu avec un axe de symétrie de la cavité 2. On a représenté un étricr 14 soutenant et guidant le barreau 13 par un collier de serrage 141.L'étrier 14 est luimeAme guidé et soutenu par un appareillage non représenté assurant le dépla cément du barreau suivant son axe de symétrie. ta fibre dc verre 131, après formation préliminaire à l'aide dc moyens d'extraction manuels non représentés est tirée par un tambour 15 sur lequel elle s' enroule. Cc tambour, de grand diamètre, est mû par un dispositif non représenté à une vitesse déterminée en fonction du diamètre du bardeau et du diamètre de la fibre de verre par des formules connues applicables pour les différentes viscosités du verre à l'état pâteus. te guide est alimenté par un générateur d' ondoe électromagné- tiques (non représenté) on ultra-haute fréquence par exemple à la fréquence U.H.F. de 2450 NHz allouée pour le chauffage industriel et domestiquc. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention est basé sur le principe du chauffage en ultra-haute fréquence par pertes diélectriques. L'introduction du barreau de verre dans la cavité 2 modifie les caractéristiques du milieu transmissif et oblige à retoucher légèrement la fréquence de fonctionnement. ta fréquence dc résonnance étant de nouveau établie, on obscrve un échauffement du verre par suite de la concentration d'énergie dans le milicu de coefficient diélectrique le plus élevé, c'est à-dire le verre.L'élévation de température dans le verre produit un léger abaissement de ce coefficient qui n'est pas gênant pour l'obtention dc hautes températures en raison atun phénomène concomitant qui est l'augmentation de l'angle de pertes. Il on résulte un effet cumulatif qui n'est limité que par les pertes calorifiques par rayonnement dans l'air et dans les parois mé galliques de la cavité 2 et du guide 1. On peut agir sur ccllesci on organisant un système de refroidissement par circulation d'eau le long de ces parois.La température do fonctionnement optimale s'obtint en définitive en règlant la puissance du générateur d'ondes électromagnétiques. La consommation d'énergie U.H.F. est de l'ordre de quelques centaines de watts pour un dispositif fonctionnant à 2000 C avec un barreau de verre de silice pure de 16 mm de diamètre. Pour un diamètre de 6 mm porté à 2000Q C sur une longueur de 10 à 15 mm, une puissance totale de 350 watts est suffisante. Scaucoup de variantes sont possibles concernant la constitution de la cavité et le mode dc couplage de celle-ci avec le guide. Les parois 21 ct 22 peuvent être notamment remplacées par des barreaux métalliqAes on métal conductcur situés dans deux sections droites du guide. Figure 2, on a représenté une variante du dispositif selon l'invention comportant une installation analogue à celle de la figure 1, où l'on retrouvc notamment le guide 1 et la cavité 2. Mais ici les ouvertures 23 et 24 laissent passer une chambre à vide 25 entourant le barreau de verre 13. Les parois de cette chambre sont en verre du type "quartz" (silice fondue) assez épaisses pour résister à la pression atmosphérique et assez min- ces pour no pas conccntrcr une trop grande partie de lténergie électromagnétique cc qui est compatible avec l'emploi dc longueur d'ondes d'une dizaine de centimètres. Les parois dc la chambre peuvent être refroidics de l'extérieur par un jet d'air comprimé.La chambre 25 comporte une partie cylindrique 251 se terminant à l'une de ses extrémités par une ouverture circulaire 252 ct à l'autre extrémité, par un tronc de cone 253 dont le sommet se raccorde à un cylindre creux 254 de très petits diamètres externe et interne, coiffé par une buse 26 dont le diamètre interne est adapté à cclui de la fibre de verre. L'ouvcrture 252 est fermée par un système de traversés étanche 27 comportant deux joints toriques 272 et 273 s'appli- quant entre le barreau 13, le cylindre 251 et une bague de serrage 271. Un ajutage 255 émerge du cylindre 251 ; il permet de raccorder la chambre à une pompe à vide à grand débit permettant de ramener la pression à l' intérieur dc la chambre à 10 5 mm de mercure malgré la fuite existant au niveau de la buse 26. Cette variante permot d'éviter la formation gênante de plas- ma provenant des gaz atmosphériques lors dc l'étirage de silice à 20000 C. En pratique, si l'on veut que la fibre obtenue ait une surface externe régulièrc ct lisse, on est obligé de faire subir au barreau 13 un rodage et un polissage préalables. il est cependant possible d'éviter cette dernière sujétion, pour les fibres de longueur relativement courtes, en procédant à l'étirage de la fibre à partir d'une cavité interne du barreau de verre. On a représenté figure 3 un barreau 30 dans lequel un alésage 31 pratiqué au centre du barreau a servi d'amorce à la formation d 'une cavité 33 qui S'agrandit à mesure que se produit l'extraction de la fibre 32. Parmi les avantages de l'invention autres que celui de l'absence dc toute impureté indésirable dans la fibre dc verre, on signalera 1 - la localisation étroite de la zonc de chauffe, ce qui permet d'une part l'économie de puissance déjà signalée, mais aussi la limitation de la durée pendant laquelle le verre est porté à haute température ; ; ceci évite les risqucs de "dévitri fication" susceptibles d'arrêter brutalement la production de la fibre 2 - l'absence de tout système de chauffage préalable, le processus d'élévation de température s'amorçant à la température ambiante 3 - dans certains cas, l'ensemble du dispositif pcut être placé sous atmosphère réactive sans risquc de détérioration d'éléments chauffants puisque le barreau de verre est la seule pièce portée à haute température, le guide et le générateur ultra-haute fréquence pouvant être refroidis à volonté par circulation d'eau ou par ventilation. REVE NDI C AI 0 S I Dispositif de fabrication de fibre de verre comportant des moyens de chauffage drune masse de verre, des noyens d'ex- traction d'au moins une fibrc de verre ct des moyens de stockage de fibres de verre, caractérisé en ce que lesdits moyens de chsuf- fage comportent un générateur de rayonnement électromagnétique de haute fréquence débitant sur une cavité de réson:ance, ladite cavité, contenant au moins une partie de ladite masse de verre, présentant au moins un orifice de couplage avec le générateur et au moins un orifice permettant l'extraction de fibre do verre. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit rayonnement électromagnétique est effectué dans la gnmme des ondes décimétriques et que ladite cavité est reliée audit générateur par un guide d'ondes. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence dudit rayonnement électromagnétique est de l'ordre de 2450 MEz. 4. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit guide d'ondes est du type à section rectangulaire et que ladite cavité est parallèlépipédique, quatre do ses faces étant constituées par les parois du guide et les deux dernières faces étant constituëes par des éléments conducteurs disposés dans les plans de deux sections droites. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites sections droites sont séparées par une distance égale à la demi-longueur d'onde de fonctionnement du guide et que lesdits éléments conducteurs sont constitués par des plaques métalliques percées d'au moins un orifice. 6. Dispositif suivant la revendication I, caractérisé On ce que lesdits moyens d'extraction comportent un système d'enroulement à tambour, la masse de verre étant maintenue par un systène de serrage solidaire deux système de déplacenent. 7. Dispositif suivant la revendication t, caractérisé on ce que ladite cavité est occupée partiellement par une chambre à vide destinée à recevoir la masse de verre, ladite chambre comportant une traversée étanche pour un barreau de verre et une partie en tronc de cone comportant l'orifice d'extraction de ladite fibre. 8. Procédé de fabrication de fibres de verre par étirement d'une masse de verre portée localement à une température prédéterminée dite de fibrage, caractérisé en ce que -l'échauffement du verre est provoqué par les pertes diélectriques sous l'effet d'un rayonnement électromagnétique se propageant dans le verre en ondes décimétriques. 9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la fréquence dudit rayonnement est de l'ordre de 2450 XEz. 10. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ledit étirement est opèré à partir de l'extrémité d'un barreau de verre. 11. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé cn ce que ledit étirement-est fait par extraction à partir d'un point situé à l'intérieur d'une masse de verre. 12. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ledit étirement est effectué dans le vide. 13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que ledit étirement est fait dans une chambre à vide refroidie par projection d'air sur les parois de ladite chambre.