Brevet FR2383137A1 — publié le 19781006

La présente invention concerne un équipement d'étirage de fibre optique à partir d'une préforme, notamment en silice, et comportant essentiellement un mécanisme de descente de préforme, un four, de préférence à induction, à un laboratoire, et un tambour ou cabestan d'étirage, ainsi qu'un dispositif de régulation de la température du four par lunette pyrométrique ou couple thermoélectrique. On a constate qu'une telle régulation de la température du four ne pouvait donner entière satisfaction, car la température ainsi régulée est celle de la face extérieure de l'élément chauffant du four, non celle régnant à l'intérieur du laboratoire de celui-ci. Or, il est de fait, que même dans le cas où la première est maintenue constante, la seconde peut encore fluctuer, ne serait-ce que par suite des variations des pertes calorifiques dues par exemple à des réactions d'oxydation, avec ou sans flamme, sur la face intérieure du laboratoire, ainsi qu'à des changements du flux d'argon commandés pour réduire précisément au minimum ces réactions d'oxydation. La présente invention a pour premier but de porter remède à cet état de choses en complétant le système de régulation dont on vient de parler par un autre plus fin permettant de capter directement la température régnant dans la zone chaude du laboratoire. En supposant maintenant que la température interne du labo- ratoire est maintenant rigoureusement constante égale à une valeur de consigne dépendant à la fois de la nature et du diamètre nominal de la préforme, il importe encore, pour que le diamètre de la fibre produite par l'étirage puisse être maintenu constant, que le débit en volume de préforme entrant dans le laboratoire soit lui-même maintenu constant. Or, ce débit en volume de préforme peut être considéré comme étant à chaque instant de la forme k"pd2p où pp dp est le diamètre actuel de la préforme; Vp la vitesse actuelle de descente de celle-ci; et k une constante (fonction des unités de mesure). Comme la préforme est couramment obtenue par rétreint d'un tube à létal de barreau, le diamètre d de-la préforme est sujet p à des fluctuations. I1 en résulte qu'il faut pouvoir faire varier en conséquence la vitesse Vp de descente de la préforme pour que ledit débit en volume soit maintenu constant. La présente invention a comme second but de réaliser cette régulation par le maintien à une forme constante de la surface suivant laquelle la préforme passe à l'état de fibre dans la zone chaude du laboratoire. A ces fins, suivant l'invention, un équipement d'étirage de fibre optique du type indiqué initialement se caractérise suivant l'invention en ce qu'il comporte en outre des premiers moyens servant à détecter la températùre interne du laboratoire du four afin de permettre un complément de régulation de celle-ci et des seconds moyens servant à détecter la forme de la surface de déformation de la préforme en fibre afin de réguler en vitesse le mécanisme de descente de la préforme, lesdits premiers moyens étant agences pour capter une fraction déterminée de l'énergie du rayonnement émis par la face intérieure du laboratoire et les seconds moyens pour capter une autre fraction déterminée de la même énergie. Lesdits premiers moyens sont avantageusement constitués par un barreau guide de lumière disposé verticalement à poste fixe dans le laboratoire du four en dehors du chemin suivi par la pré- forme et en dehors de la zone chaude de manière à véhiculer vers l'extérieur du four l'energie rayonnante qu'il capte par son extrémité intérieure au four. La quantité d'énergie rayonnante captée par le barreau est évidemment déterminée par la position fixe du barreau et par l'angle solide à l'intérieur duquel les radiations incidentes se trouvent piégées dans le barreau. Or cette fraction déterminée d'énergie rayonnante ainsi captée varie en raison directe de la température interne du laboratoire. L'énergie rayonnante ainsi captée par le barreau est conduite par lui à l'extérieur du four du fait - ou bien que 11 extrémité du barreau extérieureau four est polie et suivie par un guide flexible aboutissant à un transducteur opto-électronique dont le signal est utilisé à la-regulation thermique du four; - ou bien que l'extrémité du barreau extérieureau four est disposée en l'un des foyers dtun miroir elliptique au second foyer duquel est disposé ledit transducteur opto-électronique. Quoi qu'il en soit, ledit signal peut être couple de façon ajustable au signal provenant de la lunette pyrométrique (ou du couple thermo-électrique) pour permettre la régulation thermique du four. De façon quelque peu analogue, lesdits seconds moyens sont avantageusement constitués par la préforme elle-même dont l'extré- mité extérieure au four est polie et suivie par un guide flexible aboutissant å un transducteur opto-électronique dont le signal est utilisé à réguler en vitesse le mécanisme de descente de la préforme. La quantité d'énergie rayonnante captée par la préforme est déterminée non par sa position qui est sensiblement constante, mais par la forme de la surface selon laquelle elle se déforme et qui doit présenter un profil constant pour que le débit en volume de préforme entrante ne varie pas. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation et à l'examen des dessins schématiques annexés dans lesquels - la Fig. 1 est une vue en perspective d'ensemble d'un équipement d'étirage de fibre optique à partir d'une préforme, auquel s'applique l'invention; - la Fig. 2 est une vue de détail partielle du mécanisme de des cente de préforme en coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1; - les Figs. 3A et 3B sont des schémas d'un système suivant l'in vention de régulation thermique du laboratoire du four, respec tivement suivant une première et une seconde formes de réalisa tion; - la Fig. 4 est une vue schématique d'une preforme et de ses diffé rentes déformations possibles en cours de fibrage; - la Fig. 5 est un schéma d'un système suivant l'invention de régulation de la vitesse de descente de préforme. Tel qu'il est représenté schématiquement à la Fig. 1, un équipement 1 d'étirage de fibres optiques à partir de préformes, par exemple en silice, comprend pour l'essentiel de ses éléments mécaniques et thermiques - de haut en bas et montés en ligne sur un banc d'optique 2 fixé à une paroi verticale, un mécanisme de descente de préforme 11, un four 31 de préférence à induction et un poste de préenduction de fibre 35; - puis d'arrière en avant (de la Fig. 1) et montés en ligne sur des rails 3 fixés au sol, un tambour d'étirage-préenroulement de fibre 41 lui-même situé de façon que la verticale des éléments précédents lui soit tangente et un tambour de recette 51. Le mécanisme de descente de préforme Il dont les.details sont surtout visibles à la Fig. 2 comporte essentiellement les éléments suivants Un mandrin 12 à trois mors "doux", par exemple en ciment d'amiante, assurant la saisie de la préforme est monté à l'extrE- mité d'un bras horizontal 13 (mandrin et bras non représentés à la Fig. 2). Le bras 13 est fixe par son autre extrémité à une plaque triangulaire 14 dont la position dans l'espace est réglable -dans certaines limites- en translations de directions XY et en rotations d'axes quelconques (voir le trièdre XYZ à droite de la Fig. 2). Pour ce faire, la plaque 14 a ses trois angles traversés par trois vis telles que 15. Chaque vis 15 a une tête hémisphérique reçue dans un siège complémentaire présenté par une cuvette associée 16 extérieurement filetée, cependant qu'un écrou réglant également associé 17, vissé sur la cuvette, s'appuie sur une collerette en calotte sphérique de la vis 15, proche de l'extrémité de celle-ci, par plusieurs ergots-de direction axiale et de profil terminal complémentaire de celui de la collerette, venus d'une bride rentrante de l'écrou 17; chaque vis 15 présente d'autre part un écrou 18 servant à fixer le bras 13 sur la plaque 14. Il est clair qu'un tel agencement permet de modifier à volonté dans certaines limites l'orientation de la plaque 14, donc du mandrin, donc de la préforme. Les trois cuvettes 16 sont liées à une plaque carrée 19 qui peut de son côté être déplacée, au moyen de deux tiroirs 21, 22 à vis micrométriques, en translations XY perpendiculaires l'une à l'autre et parallèles à la plaque 19. Le tiroir 22 a son châssis lié à un bras horizontal 23 d'une chaise dont l'autre bras 24, dispose verticalement, est.monté déplaçable au long de deux rails verticaux 25 (dont un seul est visible à la Fig. 2). Le bras 23 se prolonge sur l'arrière de ces rails par un écrou 26 qui coopère avec une vis de commande de descente de préforme 27, elle-même entraînée à son sommet par un groupe moto-réducteur 28, auquel est adjointe, à des fins de régulation, une génératrice tachymétrique 29. On observera que les jeux sont-réduits au strict minimum du fait que les liaisons entre bras 23 et rails 25 d'une part, entre écrou 26 et vis 27 d'autre part, sont toutes les deux à circulation de billes (voir Fig. 2). Le four à induction 31, qui permet de porter la préforme à la température voulue pour l'étirage est ici du type à laboratoire unique coaxial, décrit par la demande de brevet français numéro PV 76-03 308 du 6 février 1976, aux noms de Alain GOURONNEC et François HAUSSONNE, et intitulée "Four pour très hautes tempéra tures". Une nouvelle description de ce four paraît donc superflue. I1 suffira de rappeler que ce four est doté d'un système de protection contre l'oxydation de la face intérieure de l'élément chauffant, au moyen d'un double flux annulaire de gaz chimiquement inerte (argon) envoyé dans le laboratoire à partir des deux extrémités de celui-ci. A mi-hauteur du four, c'est-à-dire au niveau de la partie la plus chaude de celui-ci, est montée extérieurement (voir Fig.l) une lunette pyrométrique 32, par exemple du type vendu par la Société américaine dite IRCON Inc., à Sokie, Illinois, sous le nom de "Automatic Optical Pyrometer Series 1100. Cette lunette vise à travers un canal percé dans un briquetage entourant l'élément chauffant du four, la face extérieure de cet élément chauffant et fournit un signal électrique représentatif de la température de cette face extérieure. Ce signal sert à réguler la température du four à induction, en agissant sur l'alimentation de celui-ci pour que cette température reste constamment égale à celle voulue pour l'étirage. Dans le cas où l'élément chauffant est en graphite, celui-ci est généralement ceinturé d'une gaine de silice et ladite surface extérieure de l'élément chauffant est alors celle de cette gaine de silice. La lunette pyrométrique dont on vient de parler peut aussi être remplacée par un couple thermo-electrique dont la soudure chaude est logée dans ledit briquetage. Le poste de préenduction de fibre 35 a pour but comme il est connu de fournir à la fibre, immédiatement après sa formation, un revêtement primaire d'une matière plastique, telle que celle connue sous la marque- gIKYNARIt disponible auprès- de la Société américaine dite "Dow Corning Corp.", Midland, Michigan, et assurant à la fibre à la fois de meilleures caractéristiques mécaniques et une meilleure tenue vis-à-vis de ltenvironnement (par exemple de l'humidité) lors de son vieillissement. Ce poste comprend successivement de façon- classique un élément effectuant l'application du revêtement sur la fibre en défilement, puis un four de cuisson de ce revêtement à température relativement peu élevée (four non représenté à la Fig. 1). Le tambour 41 a pour but essentiel d'exercer sur l'extrémité de la préforme en fusion pâteuse dans- le four, l'effort de traction nécessaire à l'étirage et accessoirement d'assurer un préenroulement de -la fibre. Le tambour 41 a une surface Farfaitement cylindrique, couramment en un alliage métallique tel qu'acier inoxydable ou duralumin.Il est monté de façon à pouvoir être animé à la fois d'un mouvement de rotation autour de son axe horizontal au moyen d'un groupe moto-réducteur 42, auquel est adjointe, à des fins de régulation, une génératrice tachymétrique 43, et d'un mouvement de translation en direction de son axe horizontal et de vitesse commandée proportionnellement à celle du mouvement précédent, au moyen d'un second groupe moto-réducteur, avec génératrice tachymétrique à des fins de régulation (non représentés). Le tambour 41 peut aussi être remplacé par un cabestan sur lequel la fibre n'est appliquée que sur. un angle d'environ 900, auquel cas le mouvement de translation devient superflu. Le tambour de recette 51 sert à emmagasiner la fibre produite par l'équipement; une fois rempli, il est envoyé au stockage en attente de transformation de la fibre en câble. Ce tambour est couramment en matière plastique, telle que polystyrène et il est entraîné par un groupe moto-réducteur 52, avec génératrice tachymétrique 53 à des fins de régulation. Entre le tambour d'étirage 41 et le tambour de recette 51 existe normalement une chaîne (non représentée) de transfert de la fibre Un des galets de cette chaîne, monté sur pendule, permet par sa position de déterminer la tension de la fibre en transfert et de réguler en conséquence la vitesse du moteur 52 par rapport à celle du moteur 42. On remarquera sur la droite de la figure 1 une colonne verticale 4 au long de laquelle peut monter et descendre une plateforme 5 où prend place une personne préposée à la commande et à la surveillance de l'équipement en fonctionnement. L'équipement ainsi décrit permet par exemple de réaliser pour l'étirage d'une préforme en silice dopez de 25 à 30 cm de longueur et d'environ 7 mm de diamètre, une fibre d'environ 1 km de longueur et d'environ 100 à 120 um de diamètre. Comme on l'a- expliqué dans l'introduction, le système de régulation thermique du four 31 à l'aide du signal fourni par la lunette pyrométrique 32 n'est pas en mesure d'assurer une parfaite constance de la température interne du laboratoire. Pour pallier cette difficulté, l'invention fait appel à un second système de régulation couplé avec le précédent. On a repré senté schématiquement à la Fig. 3A une première forme de realisation d'un tel système complémentaire suivant l'invention. Dans la moitié par exemple supérieure du laboratoire et en dehors du chemin suivi par la préforme, est disposé à poste fixe un barreau guide de lumière 61, c'est-à-dire une grosse fibre optique en elle-même connue. Une première extrémité du barreau 61 est donc intérieure au laboratoire et apte à capter une certaine fraction déterminée du rayonnement intérieur, en fonction de sa position et de son angle solide limite d'admission de ce rayonnement, fraction qui est représentative de la température régnant à l'intérieur du laboratoire. Cette fraction de rayonnement est véhiculée par le barreau 61 vers sa seconde extrémité disposée à l'extérieur du laboratoire. Cette seconde extrémité du barreau est polie, de manière à éviter les pertes par réflexions et diffusions et raccordée par un guide flexible de lumière 62 à un transducteur opto-électronique 63, par exemple une diode dite PIN (P intrinsèque N) en elle-même connue, dont le signal de courant est représentatif de la température interne du laboratoire. Ce signal une fois amplifié par un amplificateur 64 à gain variable est couplé à celui fourni par la lunette 32 au moyen d'un pont à deux résistances série 65, 66. Le signal sortant de ce pont, donc le signal fourni par la lunette 32 modulé plus ou moins profondément par le signal émanant de la diode 63 et plus ou moins amplifié, est transmis à un variateur 67 qui modifie en consequence la tension fournie par le générateur 68 alimentant le four à induction 31. Une seconde forme de réalisation du système suivant l'invention (Fig. 3B) ne diffère de la précédente que par les points suivants. L'extrémité extérieure du barreau 61 est disposée en l'un des foyers FI d'un miroir elliptique 62', constitué par un demi-ellipsoide plat de révolution par exemple en cuivre revêtu d'une couche métallique réfléchissante (par exemple d'aluminium ou d'or), au secona foyer F2 duquel est disposée la photodiode 63. On a représenté à la Fig. 4 comment la surface extérieure î de la préforme P pouvait se déformer de différentes façons (dont trois seulement représentées) dans la zone chaude du laboratoire pour passer à l'état de fibre F, en fonction d'un certain nombre de paramètres qui, pour une préforme de nature donnée, sont essentiellement la temperature du four, l'effort d'étirage exercé'sur la fibre, le diamètre de la préforme et la vitesse de descente de celle-ci. On a indiqué en S la forme optimale de la surface z (pour plus de clarté le rapport des diamètresentre préforme P et fibre F a été représenté beaucoup plus petit qu'il n'est en réalité). En admettant la température du four stabilisée et l'effort d'étirage sensiblement constant, si le diamètre dp de la préforme vient à augmenter, sa température interne tend à diminuer et la surface z tend vers une forme S'. Dans le cas contraire, elle tend vers une forme S". Or, il importe de réguler le débit en volume de préforme entrant dans le laboratoire du four et qui est de la forme 2 kdpVp ou Vp est la vitesse de descente de préforme, quelle que soient les fluctuations de dp en réagissant convenablement sur Vp. Et un moyen simple de détecter et d'annuler ces variations de débit est de suivre celles de la surface E. Or, à l'intérieur du laboratoire,le rayonnement émis par la face intérieure de celuici et tombant sur la préforme, se déformant comme on vient de le dire en arrivant dans la zone chaude, est en mesure sous certaines incidences de pénétrer à l'intérieur de la préforme, de se trouver piégé dans le coeur de celle-ci et d'être guidé par elle vers l'extérieur du four. Cette fraction de rayonnement varie suivant la forme prise par la surface Z; plus précisément, elle croît lorsque la surface Z passe de S' à S ou de S à S"-. Il suffit dès lors (voir Fig. 5) de prolonger la préforme à son extrémité supérieure supposée polie, par un guide souple de lumière 72 et terminé par un transducteur opto-électronique 73, par exemple une diode PIN, pour disposer par le courant émis par celle-ci d'un signal représentatif du type de surface z suivant laquelle la préforme s'étire en fibre et permettant de réguler la vitesse de descente de la préforme. Le signal émis par la diode 73 peut être transmis par exemple successivement (voir Fig. 5) aux éléments suivants dune chaîne de régulation. Le signal de diode est transmis à un amplificateur 74 avant d'être appliqué à un variateur 75. Le variateur 75 réagit sur un moteur 76 qui déplace plus ou moins et dans le sens voulu le curseur d'un potentiomètre monté en résistance variable 77. La résistance variable 76 est connectée en dérivation sur une des branches d'un potentiomètre manuel 78 de réglage d'un variateur bidirectionnel 79, variateur qui reçoit d'autre part le signal de la génératrice tachymétrique 29 du moteur 28 de descente de préforme. Le variateur 79 règle en conséquence la vitesse de ce dernier moteur et par conséquent celle du mécanisme de descente de préforme 11. REVENDICATIONS 1.- Equipement d'étirage de fibre optique à partir d'une préforme, notamment en silice, et comportant essentiellement un mécanisme de descente de préforme, un four, de préférence à induction à un laboratoire et un tambour ou cabestan d'étirage, ainsi qu'un dispositif de régulation de la température du four par lunette pyrométrique ou couple thermo-electrique, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des premiers moyens servant à détecter la température interne du laboratoire du four afin de permettre un complément de régulation de celle-ci et des seconds moyens servant à détecter la forme de la surface de déformation de la préforme en fibre afin de réguler en vitesse le mécanisme de descente de la préforme, lesdits premiers moyens étant agencés pour capter une fraction déterminée de l'énergie du rayonnement émis par la face intérieure du laboratoire et les seconds moyens pour capter une autre fraction déterminée de la même énergie. 2.- Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens sont constitués par un barreau guide de lumière disposé verticalement à poste fixe dans le laboratoire du four en dehors du chemin suivi par la préforme et en dehors de la zone chaude, de manière à véhiculer vers l'extérieur du four l'énergie rayonnante qu'il capte par son extrémité intérieure au four. 3.- Equipement selon la revendication.2, caractérisé en ce que ledit barreau guide de lumière a son extrémité extérieure au four polie et suivie par un guide flexible aboutissant à un transducteur opto-électronique dont le signal est utilisé à la régulation thermique du four. 4.- Equipement selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit barreau guide de lumière a son extrémité extérieure au four disposée en l'un des foyers d'un miroir elliptique, au second foyer duquel est disposé un transducteur opto-électronique dont le signal est utilisé à la régulation thermique du four. 5.- Equipement selon l'une des revendications 3 et 4, carac térisé en ce que ledit signal est couplé de façon ajustable au signal provenant de la lunette pyrométrique (ou du couple thermo- électrique).