Brevet FR2487811A1 — publié le 19820205

Procédé et installation de fabrication de fibres optiques en continu. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de fibres optiques en continu (le terme op- tique devant être interprété comme recouvrant les domai- nes infrarouge, visible, et ultraviolet du spectre) et elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans la réalisation de fibres op- tiques destinées aux réseaux. de distribution en télécommu- nication. On sait que, pour être utilisables dans uh réseau de distribution, les fibres optiques doivent remplir deux conditions dans une certaine mesure contradictoires. Leur atténuation doit être faible, et on considère actuellement qu'elle ne doit pas dépasser 3 à 4 dB/km à 0,85 lim (et de préférence 2 dB/km à 1, 3 pm) et leur bande passante doit atteindre 200 MHz.km environ, ce qui conduit à écarter les fibres à saut d'indice. Leur fabrication doit pouvoir se faire par grandes quantités, de l'ordre du million de kilomètres par an, à un coût modéré. On sait qu'on n'utilise guère à l'heure actuelle les fibres monomodes et que les fibres multimodes sont soit du type à saut d'indice, qui comprend une âme ou noyau entouré d'une couronne d'indice constant mais diffé- rent de celui du noyau, soit du type à gradient d'indice dans lequel le matériau de la couronne a un indice qui varie dans le sens radial. On connaît de nombreux procédés de fabrication de fibres optiques. Aucun ne remplit complètement les condi- tions ci-dessus, comme on va maintenant le voir. - Les procédés de dépôt par voie chimique en phase vapeur font appel à différents moyens de chauffage pour faire croître une couche de matériau (généralement de la silice pure dopée) soit radialement sur un mandrin, soit axialement. Ces procédés permettent d'obtenir des fibres à saut ou à gradient d'indice dont les performances op- tiques sont très largement suffisantes pour les.applica- tions envisagées. Mais les coûts de fabrication sont ex- cessifs, notamment parce que toute la masse de la fibre (âme et couronne) est fabriquée par des procédés coûteux et peu adaptés à une protection de masse. Les procédés de fabrication par les techniques verrières à partir de matériau très pur, en utilisant un double creuset, ont l'avantage de pouvoir être mis en oeuvre en continu. On peut notamment citer les tech- niques de séparation de phases, qui ont toutefois l'in- convénient de mal se prêter A l'obtention de matériaux suffisamment purs à partir de matériaux de base'peu cou- teux, qui comportent des impuretés. On peut également citer les techniques de préparation de masse de silice par réaction dans un plasma à très haute température. Ce dernier procédé semble particulièrement intéressant, car on peut obtenir à faible coût d'énormes lingots de silice de bonne qualité optique à partir de matériaux de base peu coûteux. En effet, la température tres élevée de la réaction dans le plasma assure la purification. En contrepartie, cette température élevée interdit l'ad-. jonction de nombreux dopants trop volatils. En fait, à l'heure actuelle, il semble que l'on puisse uniquement doper la silice au fluor,,ce qui abaisse son indice. Enfin, ce procédé ne semble applicable qu'à la fabrica- tion de fibres à saut d'indice,comportant une âme en silice pure ou dopée au fluor et une couronne constituée par une gaine en matériau plastique, tel qu'un silicone. Mais une telle fibre à saut d'indice a forcément une bande pa:sante limitée à une vaieur de l'ordre de 30 MHz. km, trop faible dans le cas o la fibre doit servir à transmettre une information sur des distances pouvant atteindre plusieurs kilomètres, et la stabilité de la fibre est douteuse, l'interface optique étant assurée par un matériau plastique sensible aux facteurs exté- rieurs, tels qu'humidité et température. La présente invention vise à fournir un procédé de fabrication de fibres optiques répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet de réaliser une fibre op- tique à gradient d'indice de façon continue et à faible coût. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé suivant lequel: on soude bout à bout des bar- reaux de silice destinés à constituer l'âme de la fibre on dépose sur les barreaux, par réaction chimique, une couronne de silice contenant une proportion de dopant qu'on fait varier au fur et à mesure de l'augmentation du diamètre de la couronne, de façon à constituer des préformes successives; et on file les préformes au dia- mètre de fibre recherché. Les barreaux peuvent être constitués de silice pure ou dopée, l'épaisseur du dépôt et la loi de variation de l'indice seront choisies en fonction de la bande passante moyenne à atteindre, et de l'ouverture numérique recher- chée, en tenant compte des variations maximales d'indice que permettent d'obtenir les procédés de dépôt par réac- tion chimique, notamment l'hydrolyse à la flamme (souvent désignée par le terme anglosaxon "Outside Vapour Phase Oxydation" ou OVPO) qui semble particulièrement intéres- sante. Les étapes supplémentaires permettant d'arriver à une fibre directement utilisable, telles que séchage, application de revêtements, polymérisation, stockage, peuvent s'effectuer en continu sur la ligne de fabrica- tion elle-même. On voit que le procédé utilise comme produit de départ des barres de silice qui peuvent être obtenues à faible coût avec le degré de pureté désiré par des tech- niques bien maîtrisées, notamment par réaction dans le plasma. Seule la couronne est fabriquée par un procédé de dépôt par réaction chimique relativement lent et cou- teux. L'invention propose également une installation de fabrication en continu permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini. L'ensemble de l'invention sera 24878 11 mieux compris à la lecture de la description qui suit d'un procédé et d'une installation qui en constitu-_n un mode particulier de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'une fibre multimode à gradient d'indice, à noyau de silice, - la figure 2 est une courbe représentative de la répartition de l'indice de réfraction dans la section droite d'une fibre du genre montré en figure 1, - la figure 3 est un schéma de principe montrant l'échelonnement des étapes dans une installation permet- tant de mettre en oeuvre l'invention, - la figure 4 est une vue de détail montrant une constitution possible du poste de soudage des barreaux dans l'installation de la figure 3. La fibre représentée schématiquement en figure 1 est constituée d'une âme ou noyau 1 en silice dopée ou non dopée, suivant la valeur que l'on cherche à donner à son indice n1 (figure 2). Ce noyau, de diamètre di, est entouré d'une première couronne 2 en silice dopée, d'indice variable depuis le cercle intérieur de la cou- ronne, de diamètre d,, jusqu'au cercle extérieur de la couronne, de diamètre d2. Cette première couronne 2 est entourée d'une seconde couronne 3, qui sera typiquement en silice dopée d'indice n3 constant et typiquement égal à l'indice de la silice de la première couronne au niveau du cercle extérieur de celle-ci. Enfin, une gaine de pro- tection 4 en matière plastique, typiquement en silicone, entoure la seconde couronne. Pour améliorer la résistance mécanique de la fibre, une gaine supplémentaire en plasti- que choisie pour répondre non plus à des conditions opti- ques, mais à des critères mécaniques (par exemple résis- tance à l'abrasion) entoure la gaine 4. Une telle gaine est représentée en tirets sur la figure 1. On sait que les procédés classiques de filage permettent d'ajuster de façon précise le diamètre dl par modification du diamètre du barreau de silice de. départ. Suivant la valeur recherchée pourl"indice n1, on consti- tuera le noyau 1 en silice pure ou en silice dopée. Il faut toutefois remarquer que les techniques actuelles permettant de produire à bas prix des lingots de silice de bonne qualité optique limitent pratiquement au fluor les dopants utilisables pour le noyau. La loi de variation de l'indice n2 de la première couronne 2 est choisieen fonction de la bande passante à atteindre, mais aussi pour minimiser son épaisseur 12, car il s'agit d'une partie de la fibre coûteuse à réali- ser par dépôt. On voit qu'on dispose de nombreux paramè- tres (épaisseur 12' valeurs de l'indice n2 au niveau du cercle intérieur et du cercle extérieur de la couronne 2, loi de variation de l'indice). Dans le mode de réalisa- tion illustré en figure 2, l'indice n2 est égal à n1 au niveau du cercle intérieur de la couronne, de façon à assurer une continuité d'indice entre le noyau 1 et la couronne 2. La deuxième couronne 3, de largeur 13 et d'indice constant n3. sera généralement constituée en silice dopéq et joue le rôle d'une gaine optique très fine. Enfin, la gaine plastique 4, d'indice n4. dont l'épaisseur sera typiquement de quelques dizaines de microns, protège la fibre contre l'abrasion et les attaques chimiques. La fibre qui vient d'être décrite peut être consi- dérée comme à pseudo-gradient d'indice, le noyau central étant à indice constant. Elle présente des performances en transmission qui sont suffisantes pour les applica- tions actuelles en télécommunication. La fabrication de cette fibre peut être effectuée dans une installation du genre montré en figure 3. Cette installation est prévue pour recevoir des barreaux de silice qui, après étirage, constitueront le noyau de la fibre. Ces barreaux sont eux-mêmes obtenus à partir de lingots de grande dimension, dont le poids peut être de l'ordre de 150 kg. On obtient, par filage de chacun de ces lingots, plusieurs mètres d'une tige qui est frac- tionnée en barreaux homogènes, dont le diamètre d5 est choisi en fonction du diamètre d1 du noyau de la fibre a réaliser (par exemple d = 10 mm pour d! = 75 pm. On peut obtenir sans difficulté une précision de quelques microns sur le diamètre. Avant d'etre introduits dans l'installation, les barreaux sont contrôlés: leur carac- téristique géométrique est vérifiée au cours du -ilage et éventuellement après filage; leur coefficientd'atténuation est également mesurée. Les barreaux sont ensuite successivement introduits dans l'installation ou ils sont soudés l!un à l'autre à un poste de soudage, intégré l!'installation. Les figures 3 et 4 montrent deux barreaux successifs 7 et 8 en cours de soudage au poste 10. Ces barreaux sont guidés et dé- placés de façon continue par des moyens de centrage et d'avance; schématisés sur la figure 3 par deux jeux de galets 11 placés en Amont du poste de soudage 9 et un jeu de galets de centrage 12 placé en aval. Le soudage peut s:effectuer en continu pendant la descente des barreaux. Les moyens 1l donnent a ceux-ci une vitesse de descente V1 très lente, typiquement de l'ordre de 8 m par minute. Ces moyens peuvent comporter, au lieu de galets de friction, des chenilles ou des mors mobiles. Un four, un chalumeau annulaire, ou un disposi- tif à rayonnement peut être placé au poste de soudage 9. Ce four 10 est mis en action lors du passage de la jonc- tion entre deux barreaux successifs 7 et 8. La vitesse étant très lente, un soudage complet peut être effectué en dépit du développement limité du four 10 le long du trajet des barreaux. La tige continue ainsi constituée traverse un poste de dépôt 13 dans lequel sont mises en oeuvre des réactions chimiques connues, telles que les réactions en phase vapeur ou dans le plasma. A titre de simple exem- ple, nullement limitatif, on peut mentionner la technique d'hydrolyse à la flamme décrite dans le brevet FR 2213243 (CORNING GLASS WORKS). On peut également citer.des procédés de dépôt en phase vapeur dérivés de ceux men- tionnés au début de la demande. Le poste de dépôt 13 représenté comporte un four porté par un chariot 21 susceptible de lui imprimer un mouvement de va-et-vient, comme indiqué par les flèches fi, auquel se superpose un mouvement de translation, in- diqué par la flèche f2. L'amplitude L.du mouvement de va-et-vient correspond à la longueur du dépôt, légèrement inférieure à la longueur d'un barreau. La vitesse V1 de descente de ces barreaux permet de limiter la course L du mouvement de descente du chariot à une valeur accep- table. La longueur des barreaux peut atteindre plusieurs mètres. Elle permet le dépôt des couronnes en continu sur une grande longueur et la fabrication rapide d'une pré- forme canable de fournir plusieurs kilomètres de fibres au diamètre définitif d4. On a indiqué en tirets sur ia figure 4 la croissance progressive du dépôt jusqu'à son diamètre définitif. Lorsque le dépôt correspondant à une préforme de longueur L est terminé, le chariot porteur 21 revient à son point de départ et l'opération de dépôt peut être re- prise pour préparer une nouvelle préforme. La course de retour L1 est suffisamment longue pour assurer une sépa- ration L2 entre deux préformes successives. Chaque pré- forme donnera ultérieurement naissance à une longueur de fibre qui pourra être stockée et qualifiée séparément des autres. Si la vitrification n'a pas été opérée directement au poste 13, elle est réalisée en un poste supplémentaire 14. Elle peut s'effectuer de façon simple, étant donné la faible épaisseur des dépôts. Si nécessaire, un poste de séchage 15 peut être prévu pour améliorer la qualité de la fibre. Un tel poste pourra notamment être prévu pour éliminer l'eau lorsque le dépôt a été fait par hydrolyse à la flamme. Des guides 22 sont disposés entre les diffé- rents postes pour assurer la continuité du mouvement de descente des préformes et pour les centrer, de façon à éviter que les contraintes thermiques différentes le lon7 de l'axe des barreaux n'induisernt es dêforr ations. A titre d'exemple, on peut indiquer u'une préforme de 500 mm de long peut être fabriquée par croissance d'un dépôt vitrifié de 3 mm d'épaisseur sur un barreau de 10 omq de diamètre. Une telle préforme fournit 8,84 km de fibre dont le diamètre d1 est de 75 pm et le diamètre d3 est de pm. La durée de l'opération de dépôt, en cas d'hydro- lyse à la flamme, est d'une heure si la vitesse de dépôt moyenne est de 50 g par heure. La vitesse V1 de descente de la préforme est alors de 8, 33 mm par minute.-Chaque préforme ainsi réalisée passe dans un ensemble dont la constitution est similaire à celle d'une machine classi- que de fibrage. Dans le mode de réalisation illustré en figure 3, cet ensemble comporte un four 16 de fibrage, un appareil d'enduction 18 et un touret 20 de bobinage de la fibre. Entre le four 16 et l'appareil d'enduction est interposé un poste 17 de mesure du diamètre, qui peut être utilisé pour commander la vitesse d'enroulement sur le touret 20. Il faut noter que la fibre obtenue est plus régulière que dans le cas d'une machine classique, car le diamètre de la préforme est beaucoup plus régulier que dans le cas des tiges obtenues par les procédés classiques de dépôt chimique en phase vapeur et le dépôt est d'é- paisseur plus faible et s'effectue sur un support calibré. Le fonctionnement peut être rendu continu du fait que la vitesse V2 d'enroulement sur le touret peut être réglée indépendamment de la vitesse V1. D'autres organes peuvent etre intercalés sur le parcours de la fibre, notamment un four 19 de polyméri- sation du revêtement appliqué sur la fibre dans l'appa- reil d'enduction 18 et qui donne naissance à la gaine 4 (figure 1). Dans le cas de la fabrication d'une fibre ayant les caractéristiques indiquées plus haut, la vitesse moyenne de fibraqe peut être V2 = 147 m par minute. Cette vitesse V2 est toutefois réglée en permanence pour main- tenir le diamètre d4 à une valeur constante. La vitesse moyenne de l'installation de production est alors de 212 km par jour, soit environ 40.000 km par an. Une telle production est très supérieure aux procédés classiques. On voit que l'invention fournit un procédé dans lequel l'ensemble des opérations s'effectue en continu sur une même installation et évite des opérations séparées de préparation, rêtreint et du fibrage. Le procédé permet de plus de n'utiliser un matériau coûteux, obtenu par dépôt, que là o il est strictement nécessaire. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliersde réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemple et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante res- tant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de fibre- opti,?es, notarent à gradient d'indice,en continu, caractérisé en ce que: on soude bout à bout des barre-aux de silice (7, 8) des- tinés à constituer le noyau de la fibre; on dépose sur les barreaux, par réaction chimique, une couronne de silice contenant une proportion de dopant variable au fur et à mesure de l'augmentation de diamètre de la couronne pour constituer des préformes successives (23); et on file les préformes au diamètre de fibre. 2. ProcéOr suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre provenant de filagt est soumise en continu à au moins une opération supp!lmentaire -telle que vitrification, séchage, application de revêtement formant gaine, polymérisation. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que le dépôt pour constituer une préforme (23) s'effectue dans un four animé simultanément d'un mouvement de va-et-vient sur la longueur de la préforme et d'un mouvement d'avance à vitesse égale à la vitesse d'introduction des barreaux. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que le dépôt s'effectue en couches successives d'indice. variable, la couche la plus interne ayant un indice égal à l'in- dice constant de la silice du barreau, et les couches externes étant d'indice constant. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce. que le barreau est constitué de silice dopée d'indice constant. 6. Installation de fabrication en continu de fibres optiques, caractérisée en ce qu'elle comprend: des moyens d'avance continue de barreaux de silice destinés à constituer l'âme de la fibre; des moyens (9) de soudage bout à bout des barreaux (7, 8); des moyens (13) de dépôt par réaction chimique d'une cou- ronne de silice contenant une proportion de dopant va- riable au fur et à mesure de l'augmentation de diamètre de la couronne pour constituer des préformes successives (23); et des moyens (16) de filage des préformes au diamètre de fibre à réaliser. 7. Installation suivant la revendication 6, carac- térisée en ce que les moyens de filage comprennent un four (16) et des moyens de traction de la fibre à une vitesse réglée en fonction du diamètre de la fibre.