Brevet FR2624621A1 — publié le 19890616

Procédé de fabrication d'une fibre optique ayant une bonne résistance à la fatigue La présente invention concerne la fabrication de fibres optiques. On sàit que les fibres optiques destinées aux câbles sous-marins de télécommunications, par exemple, doivent présenter à la fois une faible atténuation de la lumière qu'elles guident (pour diminuer le nombre des répéteurs à répartir sur la longueur du câble) et une forte résistance mécanique (pour permettre une pose relativement facile à partir d'un navire câblier). Les fibres optiques prévues actuellement pour ce type d'utilisation sont des fibres monomodales dont les verres de coeur et de gaine optique sont faits de silice presque pure pour guider une lumière infrarouge. Elles présentent un diamètre de coeur d'environ 10 micromètres et un diamètre total de silice de 125 micromètres. De telles fibres sont classiquement obtenues par une opération continue de fibrage, c'est-à-dire d'étirement avec déformation visco-élastique sous une tension convenable dite "de fibrage", à partir d'une préforme chauffée localement au delà de sa température de ramollissement Tg. Cette préforme est une masse cylindrique de silice présentant une loi de composition interne convenable en fonction du rayon. La vitesse de fibrage est asservie de façon à obtenir le diamètre final souhaité. Cette opération de fibrage est suivie d'une opération de gainage en continu par une gaine organique de protection. Cette gaine ne contribue que peu à la résistance de la fibre aux forces longitudinales de traction et ntempêche pas la fibre de s'allonger et de se mettre sous forte tension en présence de-celles-ci Mais elle s'oppose aux flexions dangereuses et protège efficacement la surface extérieure de la fibre de silice. La tension de fibrage utilisée pour fabriquer de nombreuses fibres monomodales de silice est faible, par exemple 0,1 N environ. Il est connu que la qualité optique de certaines fibres (c'est-à-dire leur aptitude à transmettre la lumière avec de faibles pertes), peut être améliorée en utilisant une tension de fibrage accrue, par exemple 1,4 N environ. Ceci est surtout vrai dans le cas des fibres à fort dopage de germanium dans le coeur. Malheureusement la résistance mécanique de la fibre en est sensiblement détériorée. Plus précisément, la fréquence des ruptures a partir des microfissures superficielles passe de 0,3 rupture aux 10 Km à 1 rupture au 10 km, au cours d'un test d'épreuve effectué sous un allongement de 1,5S. Selon un premier procédé perfectionné connu, on diminue la fréquence de ruptures à partir de microfissures superficielles en effectuant une préparation, appelée polissage thermique, de la surface latérale de la préforme à partir de laquelle se fait le fibrage. On sait en effet que c'est à partir de cette surface latérale initiale que se forme la surface latérale de la fibre. Il apparait donc que c'est à partir de défauts de cette surface initiale que se forment des défauts de cette surface finale. Or, on sait aussi que c'est à partir des défauts de cette surface finale que se propagent le plus souvent les fissures qui aboutissent à la rupture de la fibre. Le polissage thermique en question consiste à chauffer brièvement la surface latérale de la préforme, avant le fibrage, à une température supérieure à sa température de ramollissement de manière à pratiquement fondre une mince couche superficielle et à en évaporer une partie. Les microfissures superficielles que l'on pouvait détecter avant cette opération ne peuvent plus l'etre après. Une telle préparation de surface est décrite dans l'article "Improvement of optical fiber strength for submarine cables" J.Y BONIORT, J. LEBOUCQ, P. BACLE, E. REINAUDO, SPIE vol 584 OPTICAL FIBER CHARACTERISTICS AND STANDARD (1985) Elle présente une certaine efficacité mais n'apparat pas suffisante dans certaines applications particulières, notamment pour le filoguidage de missiles et de torpilles. Dans ces applications, il est nécessaire que la résistance mécanique élevée des fibres soit conservées après un stockage de plusieurs années sous des contraintes non nulles. Il est donc nécessaire de disposer de fibres présentant une bonne résistance à la fatigue. De telles fibres peuvent être obtenues selon un deuxième procédé perfectionné connu dans lequel, pour diminuer la fréquence desdites ruptures, on dope une couche superficielle de la préforme avec de l'oxyde de titane. Ce dopage abaisse le coefficient de dilatation de la silice. Ce coefficient devient nul pour une teneur en mole d'oxyde de titane de 5% et négatif pour des teneurs plus élevées. Au refroidissement de la fibre la couche superficielle dopée tend à se contracter moins que la silice sous-jacente. Elle est donc mise sous contrainte de compression permanente par le reste de la section de la fibre, qui supporte alors une tension résiduelle permanente. Cette compression permanente de la couche superficielle peut valoir environ 35 MPa pour une teneur de 5% en oxyde de titane.Elle dépend peu de la tension de fibrage choisie qui est par exemple de 0,10N. Elle diminue le risque de propagation de fissures dans cette couche, donc le risque de rupture de la fibre à partir de fissures superficielles. Elle permet plus particulièrement d'améliorer la résistance à la fatigue des fibres, c'està-dire de réduire la dégradation dans le temps de la résistance mécanique de fibres soumises à un allongement permanent. Ce dopage superficiel nécessite cependant une opération de fabrication supplémentaire qui rend le produit final plus onéreux. L'intérêt d'un tel dopage superficiel de la préforme est décrit dans l'article "O.V.D. Process Modification for Improved Optical Fiber Strength Reliability" J.E. Ritter, J.D.HELFINSTINE présenté aux conférences MFOC WASHINGTON 16-19 Mars 1987. La présente invention a notamment pour but de diminuer le risque de rupture de fibres optiques au moins en présence d'efforts de traction et/ou de flexion prolongés. Elle a aussi pour but de conférer à des fibres optiques en verre de silice, notamment monomodales, à la fois des quaiités accrues de guidage de la lumière et un faible risque de rupture en service. Et elle vise à atteindre ces buts grâce à un procédé de fabrication simple, sûr, et peu coûteux. Le procédé selon la présente invention comporte certaines dispositions qui considérées en elles-mêmes, lui sont communes avec le deuxième procédé perfectionné connu précédemment mentionné. Selon ces dispositions communes ce procédé comporte les opérations suivantes - préparation d'une préforme constituée d'un verre, ledit verre comportant au moins un élément dopant optique de coeur et/ou de gaine propre à modifier son indice de réfraction et localisé de manière à constituer un coeur de préforme entouré par une gaine de préforme ayant un indice de réfraction plus petit que ce coeur, cette gaine étant elle même entourée par un anneau qui présente une teneur en élément dopant optique sensiblement nulle, ledit verre comportant encore un élément de dopage superficiel localisé dans une couche superficielle de préforme pour modifier le comportement mécanique qu'il adopte en surface au cours du refroidissement ultérieur de la fibre sous la tension de fibrage - et fibrage en continu, ce fibrage comportant lui même les opérations suivantes - chauffage d'une partie extrême de la longueur de cette préforme pour la ramollir à coeur en constituant une masse viscoélastique, - application à ladite masse viscoélastique d'une tension longitudinale de fibrage suffisante pour que le verre en provenant s'étire dans une zone d'étirement avec diminution progressive du rayon extérieur de ladite masse viscoélastique jusqu'à ce que ce rayon atteigne un rayon extérieur final, de manière à former et à faire défiler une fibre optique présentant ledit rayon extérieur final et comportant un coeur, une gaine, un anneau et une couche superficielle de fibre issus desdits coeur, gaine, anneau et couche superficielle de préforme, respectivement, - refroidissement progressif du verre à partir de sa surface dans cette zone d'étirement de manière que, dans une zone de première solidification à la fin de cette zone d'étirement, ce-verre se. solidifie sur une fraction suffisante de sa section pour que cette fraction solidifiée résiste élastiquement à ladite tension de fibrage, - et refroidissement complémentaire de la fibre ainsi obtenue, dans une zone de refroidissement complémentaire pour que le verre de cette fibre se solidifie complétement, - ladite tension de fibrage étant appliquée à ladite fibre dans une zone de traction en aval de ladite zone de solidification complèmentaire pour être appliquée à ladite masse viscoélastique par l'intermédiaire de cette fibre, - ledit élément de dopage superficiel étant choisi de manière à faire apparaître dans ladite fibre en aval de ladite zone de traction, une compression supercielle permanente localisée dans ladite couche superficielle de fibre et une tension d'extension interne permanente régnant au moins dans une fraction dudit anneau de la fibre et équilibrant cette compression superficielle, pour que cette compression superficielle permanente diminue les risques de rupture de la fibre en service à partir de fissures de sa surface. La formation de la fibre & partir de la préforme se fait avec conservation d'une loi de composition interne. Une telle loi définit la composition du verre en chaque point d'une pièce cylindrique telle que la préforme ou la fibre. Elle relie cette composition à un rayon relatif de ce point, ce rayon relatif étant une distance mesurée entre ce point et l'axe de cette pièce et rapportée au rayon extérieur de cette pièce. Par rapport au procédé connu comportant ces dispositions communes le procédé selon la présente invention est caractérisé par le fait que ledit élément de dopage superficiel est constitué par au moins un dit élément dopant optique de coeur et/ou de gaine, pour que la présence de cet élément dopant diminue la température de ramolissement dudit verre dans lesdites couches superficielles de préforme et de fibre, de sorte que, dans une zone de température intermédiaire s'étendant au moins sur une partie de ladite zone de première solidification, ledit verre n'est pas encore solidifié dans ladite couche superficielle alors qu'il constitue déjà, dans au moins une fraction superficielle de l'épaisseur dudit anneau, une couche de première solidification qui est solidifiée et subit un allongement élastique pour supporter au moins une partie de ladite tension de fibrage, et qui, lorsque ladite tension de fibrage cesse d'être appliquée à ladite fibre au passage de ladite zone de traction, perd élastiquement une partie de cet allongement en s'appuyant alors sur le reste de ladite fibre avec application notamment de ladite compression superficielle permanente, - ladite tension de fibrage étant une tension accrue qui est choisie suffisamment grande pour que ladite compression superficielle permanente ainsi appliquée soit elle même suffisamment grande pour diminuer sensiblement les risques de rupture de ladite fibre même après une durée de service sans perturber la mise en oeuvre de la fibre. Selon la présente invention, on peut adopter en outre les dispositions parfois préférées suivantes - Ladite tension de fibrage est supérieure à 0,4 N, ladite fibre étant une fibre de silice de diamètre extérieur compris entre 80 et 200 micromètres environ. De préférence encore cette tension est supérieure à 0,5 N dans le cas où ladite fibre est une fibre monomodale typique dont le'diamètre est'125 micromètres environ. - Ledit élément de dopage superficiel est choisi dans le groupe constitué par le fluor, l'oxyde de phosphore P205 et l'oxyde de germanium GeO3. - La teneur de ladite couche superficielle de préforme en ledit élément de dopage superficiel est comprise entre 0,5Z et 5S en mole, l'épaisseur de cette couche superficielle étant comprise entre 2 et 20% du rayon de ladite préforme. Cette épaisseur peut être notamment voisine de 5 microns dans le cas de la dite fibre monomodale typique de manière qu'une tension de fibrage de 0,8 N engendre une contrainte de compression superficielle permanente de 30 MPa environ. Les dopants utilisés ont un effet secondaire affectant les contraintes et induit par la modification du coefficient de dilatation de la silice dopée : Ils augmentent en général le coefficient de dilatation de la silice dopée excepté le fluor pour des teneurs inférieures à 4%. L'augmentation du coefficent de dilatation provoque au refroidissement une contraction plus importante de la surface de la fibre qui vient réduire la contrainte de compression résultant de la différence des températures de ramollissement Tg. La teneur des dopants augmentant le coefficient de dilatation doit être optimi sée ; il faut qu'elle. soit assez importante pour obtenir un effet suffisant sur la température de ramollissement Tg, et pas trop élevée pour réduire l'effet néfaste du coefficient de dilatation. Dans le cas d'un dopage par le phosphore, la teneur optimisée est d'environ 1,5% Ladite opération de préparation d'une préforme comporte les opérations habituelles d'élaboration par. la méthode comme dite M.C.V.D. par exemple - dépôt en phase vapeur dans un tube de silice de la gaine puis du coeur, - rétreint du tube après le dépôt, - manchonnage par un tube de silice de façon à avoir simultanément le diamètre de coeur nécessaire pour obtenir les performances optiques et le diamètre de fibre de 125 microns, - une opération complémentaire de dépôt extérieur par couches succes sives, une décomposition des dopants et du tétrachlorure de silicium SiCl4 étant réalisée dans la flamme du chalumeau, ce dépôt pouvant être éventuellement assisté par un plasma. A l'aide des figures schématiques, ci-jointes, on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut-être mise en oeuvre dans le cadre de l'exposé qui en a été donné ci-dessus. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. Les modes de mise en oeuvre donnés en exemple comportent les dispositions parfois préférées mentionnées ci-dessus. Il doit être compris que les éléments mentionnés peuvent être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. La figure 1 représente une tour de fibrage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La figure 2 représente une vue en coupe axiale d'une partie terminale dune dite masse viscoélastique à l'extrémité d'une préforme en cours de fibrage, et de deux tronçons d'une fibre issue de cette masse dans la tour de la figure 1. La figure 3 représente une vue en coupe axiale de la même partie terminale au-dessous d'une partie de la préforme dont elle est issue, cette partie de préforme étant représentée à échelle diminuée. Conformément à la figure 1 une préforme 1 est disposée verticalement dans la partie supérieure d'une tour de fibrage 12. Son extrémité inférieure est disposée dans un four de fibrage 2. Elle est maintenue à son extrémité supérieure dans un organe de maintien 10. Au cours de l'opération de fibrage cet organe descend au fur et à mesure que la longueur de la préforme diminue de manière à maintenir l'extrémité inférieure de la préforme à un niveau constant dans le four 2. Le four 2 chauffe cette extrémité inférieure de manière à former ladite masse viscoélastique 20 dont est issue une fibre optique F. La formation continue de nouveaux tronçons de cette fibre à partir de cette masse résulte d'une traction qui est exercée par un cabestan 6, au bas de la tour 12, sur des tronçons antérieurement formés. Ce cabestan tire la fibre à une vitesse de fibrage qui définit ladite tension de fibrage et qui est asservie de manière à obtenir le diamètre de fibre souhaité, ce diamètre étant le double dudit rayon extérieur de fibre. Cet asservissement est réalisé avec l'aide, notamment, d'un capteur de mesure de diamètre 3 disposé à la sortie du four 2 dans la zone où la fibre est solidifiée à coeur. La tour comporte divers autres systèmes d'asservissement non représentés. Après le capteur 3 la fibre se refroidit encore par exemple à 200 C environ. Elle passe ensuite dans un dispositif de gainage 4 qui forme une gaine organique de protection 16 (voir fig.2) par enduction de matière plastique autour de la fibre et irradiation aux rayons ultraviolets pour reticuler la matière plastique ainsi déposée sur la surface de la fibre. La fibre gainée FG passe ensuite dans un dispositif de mesure de tension 5. Puis elle passe sur le cabestan 6 qui lui applique ladite tension de fibrage, de sorte que cette tension s'exerce entre le dispositif de maintien 10 et ce cabestan. Le cabestan 6 renvoie la fibre gainée vers un touret de réception et de stockage 18 qui n'applique à la fibre qu'une tension d'enroulement qui est faible et qui sera considérée ci-après comme négligeable. Conformément aux figures 2 et 3 la masse viscoélastique 20 présente, dans sa partie inférieure la forme d'un cône d'axe A. C'est pourquoi elle est parfois appelée "cône de fibrage". Elle est issue de la préforme 1 et engendre la fibre F avec conservation de ladite loi de composition interne. Lesdits coeur, gaine, anneau et couche superficielle dopée sont désignés par les références CP, GP, et SP dans cette préforme, CM, GM, et SM dans cette masse viscolastique et CF, GF, SF dans cette fibre, respectivement. Les diamètres de coeur, de gaine, de l'anneau et couche superficielle sont 1,20, 8,5, 20,5 et 22,3 mm dans la préforme et 7, 48, 115 et 125 microns dans la fibre, respectivement. Les dites zones d'étirement, de première solidification de refroidissement complémentaire et de température intermédiaire sont représentées en Zî, Z2, Z3 et Z4, respectivement. La composition des mélanges gazeux exprimée en pourcentage atomique par rapport au silicium contenu dans SiCl4 est d'environ 16S de Ge pour réaliser le coeur, 2,5% de F et 1% de P pour réaliser la gaine et 1,5S de P pour la couche superficielle. Ces teneurs concernant une fibre à échelon d'indice d'amplitude 5 x La température de ramollissement de la silice est d'environ 100 à 2000 C plus basse dans le coeur, la gaine, et la couche superficielle que dans l'anneau de silice. La température de la masse 20 est supérieure à toutes ces températures de sorte que la matière y est ramollie et prend un comportement viscoélastique. La matière qui a ce comportement est représentée avec de petits points. Une ligne 26 représente une surface de transition qui est située au bas de la masse viscoélastique 20 et qui est telle que d'un côté de cette surface (au-dessus) la matière est ramollie et a ledit comportement viscoélastique, et que de l'autre côté (au dessous) la matière s'est solidifiée et a pris un comportement élastique parce que son refroidissement à partir de sa surface a abaissé sa température effective au dessous de sa température de solidification. Dans ladite zone de température intermédiaire Z4, la température effective est comprise entre la température de ramollisserment de la silice non dopée d'une part et celles des silices dopées du coeur, de la gaine et de la couche superficielle d'autre part.Il en résulte que ladite couche de première solidification, que l'on peut considérer pratiquement comme constituée par l'anneau de silice, a déjà un comportement élastique alors que le reste de la fibre a encore un comportement viscoélastique qui l'empêche de supporter une fraction de la tension de fibrage. Lorsque plus loin ce reste de la fibre, c'est-à-dire le coeur CF, la gaine GF, et la couche superficielle SF, se solidifie, il le fait alors que la tension de fibrage est entièrement supportée par l'anneau de silice qui présente donc un allongement élastique. Lorsque plus loin encore la tension de fibrage cesse d'être appliquée, l'anneau allongé prend appui sur le reste de la fibre qu'il comprime tout en perdant une partie de son allongement. Il applique ainsi la dite compression superficielle permanente dans la couche superficielle en même temps que dans le coeur et la gaine. REVENDICATSONS -.. 1/ Procédé de fabrication d'une fibre optique par étirage d'une préforme dopée, ce procédé comportant les opérations suivantes - préparation d'une préforme (1) constituée d'un verre, ledit verre comportant au moins un élément dopant optique de coeur et/ou de gaine propre à modifier son indice de réfraction et localisé de manière à constituer un coeur de préforme (CP) entouré par une gaine de préforme (GP) ayant un indice de réfraction plus petit que ce coeur, cette gaine étant elle même entourée par un anneau de préforme (MP) qui présente une teneur en élément dopant optique sensiblement nulle, ledit verre comportant encore un élément de dopage superficiel localisé dans une couche superficielle de préforme (SP) pour modifier le comportement mécanique qutil adopte en surface au cours du refroidissement ultérieur de la fibre sous une tension de fibrage, - et fibrage en continu, ce fibrage comportant lui même les opérations suivantes - chauffage d'une partie extrême de la longueur de cette préforme pour la ramollir à coeur en constituant une masse viscoélastique (20), - application à ladite masse viscoélastique de ladite tension de fibrage, cette tension étant longitudinale et suffisante pour que le verre en provenant s'étire dans une zone d'étirement (Z1) avec diminution progressive du rayon extérieur de ladite masse viscoélastique jusqu'à ce que ce rayon atteigne un rayon extérieur final, de manière à former et à faire défiler une fibre optique (F) présentant ledit rayon extérieur final et comportant un coeur (CF), une gaine (GF), un anneau (MF) et une couche superficielle (SF) de fibre issus desdits coeur (CP), gaine (GP), anneau (MP) et couche superficielle (SP) de préforme, respectivement, - refroidissement progressif du verre à partir de sa surface dans cette zone d'étirement de manière que, dans une zone de première solidification (Z2) à la fin de cette zone d'étirement, ce verre se solidifie sur une fraction suffisante de sa section pour que cette fraction solidifiée résiste élastiquement à ladite tension de fibrage lorsque son rayon extérieur atteint ledit rayon extérieur de fibre, - et refroidissement complémentaire de la fibre ainsi obtenue, dans une zone de refroidissement complémentaire (Z3) pour que le verre de cette fibre se solidifie complétement, - ladite tension de fibrage étant appliquée à ladite fibre dans une zone de traction (6) en aval d'au moins ladite zone de première solidification pour être appliquée à ladite masse viscoélastique par l'intermédiaire de cette fibre, - ledit élément de dopage superficiel étant choisi de manière a faire apparaître dans ladite fibre en aval de ladite zone de traction, une compression supercielle permanente localisée dans ladite couche superficielle de fibre et une tension interne permanente régnant au moins dans une fraction dudit anneau de fibre et équilibrant cette compression superficielle, pour que cette compression superficielle permanente diminue les risques de rupture de la fibre en service à partir de fissures de sa surface, - ce procédé étant caractérisé par le fait que ledit élément de dopage superficiel est constitué par au moins un dit élément dopant. optique de coeur et/ou de gaine, pour que la présence de cet élément dopant diminue la température de ramolissement dudit verre dans lesdites couches superficielles de préforme (SP) et de fibre (SF), de sorte que, dans une zone de température intermédiaire (Z4) s'étendant, au moins sur une partie de ladite zone de première. solidification (Z2), ledit verre n'est pas encore solidifié dans ladite couche superficielle (SF) alors qutil constitue déjà, dans au moins une fraction superficielle de l'épaisseur dudit anneau, une couche de première solidification (MF) qui est solidifiée et subit un allongement élastique pour supporter au moins une partie de ladite tension de fibrage, et qui, lorsque ladite tension de fibrage cesse d'être appliquée à ladite fibre (F) au passage de ladite zone de traction (6), perd élastiquement une partie de cet allongement en s'appuyant alors sur le reste de ladite fibre avec application notamment de ladite compression superficielle permanente, - ladite tension de fibrage étant une tension accrue qui est choisie suffisamment grande pour que ladite compression superficielle permanente ainsi appliquée soit elle même suffisamment grande pour diminuer sensiblement les risques de rupture de ladite fibre (F) même après une durée de service, sans perturber la mise en oeuvre de la fibre. 2/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ladite tension de fibrage est supérieure à 0,4 N, ladite fibre (F) étant une fibre de silice de diamètre extérieur compris entre 80 et 200 micromètres environ. 3/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ledit élément de dopage superficiel est choisi dans le groupe constitué par le fluor, l'oxyde de phosphore P205 et l'oxyde de germanium GeO3 , ledit verre étant de la silice. 4/ Procédé selon la revendication 3 caractérisé par le fait que la teneur de ladite couche superficielle dé préforme (SP) en ledit élément de dopage superficiel est comprise entre 0,5 et 5% en mole, l'épaisseur de cette couche superficielle étant comprise entre 2 et 20% du rayon de ladite préforme cul).