Brevet FR2641270A1 — publié le 19900706

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une préforme en fibres conductrices de lumiè- re par dépôt chimique en phase-vapeur induit par impulsions de plasma ( procédé PICVD selon lequel on fait passer un courant de gaz dans un tube en verre et on dépose à partir du courant de gaz une succession de couches d'une épaisseur et d'une loi d'indice de réfraction déterminées X l'intérieur d'une zone ce revêtement situee sur la race intérieure du tube en verre L'invention concerne en outre une ébauche de verre en forme de tube pour la mise en oeuvre de ce pro- cédé. Un procédé de ce genre est connu d'après EP 036 191. Dans un procédé PICVD, on dépose, à l'aide de courtes impulsions de plasma dans un domaine de basses pressions sur la surface intérieure d'un tube en verre, à partir du mélange de gaz de réaction s'écoulant dans le tube, de minces couches diélectriques dans une zone axiale de revêtement. La formation des couches est effectuée, pour chaque impulsion de plasma, pratiquement en même temps dans la partie de tube à revêtir. Dans les pauses entre impul- sions, cette partie de tube est à nouveau remplie de gaz de réaction frais. L'épaisseur de la couche déposée par une impul- sion de plasma en un endroit du tube de verre est propor- tionnelle à la densité des molécules de formation de couche en cet endroit - avant l'impulsion de plasma -, chaque molécule participant à la réaction de revêtement, de sorte que le rendement s'élève à 100 %. Pour autant que le champ de génération de plasma soit constant en azimut, l'épais- seur des couches est indépendante de l'azimut du fait de la symétrie circulaire d'un tube. Du fait que, dans un tube en verre parcouru par un gaz, une baisse de pression se produit le long de la zone de evêtement de ce tube, la densité des molécules de forma- tion de couche dans cette zone de revêtement n'est pas constante sur la longueur du tube mais elle décroît dans la direction d'écoulement des gaz de sorte qu'également la vitesse de revêtement décroît dans la direction d'écoulement des gaz. Généralement cependant, on s'efforce d'obtenir une épaisseur de couche constante dans toute la zone de revête- ment. Cela s'applique notamment à des tubes en verre à revêtements intérieurs à partir desquels on doit fabriquer des préformes pour des guides d'ondes lmineuses car des conditions sévères sont imposées en ce qui concerne la Constance d'épaisseur des couches. Ces préformes sont obtenues par écroulement (ou rétrécissement ou effondrement) du tube muni du revêtement en une tige dont les épaisseurs 1 de revêtement doivent satisfaire à de hautes exigences. Il a déjà été proposé ( brevet 3B-2 079 267); pour obtenir une épaisseur uniforme des couches déposées dans toute la zone de revêtement, de disposer dans le tube en verre une tige de verre de forme conique, qui s'étend coaxialement le long de la zone de revêtement, le périmètre de cette tige de verre devant être maximal à l'extrémité d'entrée du gaz et minimal à l'extrémité de sortie du gaz. Ce procédé présente l'inconvénient qu'également la tige de verre est revêtue. En outre cette tige de verre doit être maintenue assez précisémentauxdeuxextrémitésdutube à revêtir pour éviter des écarts de positionnement par des influences se manifestant pendant le revêtement. En outre on ne peut pas éviter des oscillations de la tige. La présente invention a en conséquence pour but de proposerun procédé du type défini ci-dessus, à l'aide duquel il soit possible d'obtenir d'une manière simple une épaisseur de couche axialement constante dans toute la zone de revêtement de la préforme de conducteur d'ondes lumi- neuses et par conséquent d'augmenter l'efficacité du procédé. Un autre objet de la présente invention est écalement la mise en oeuvre d'une ébauche de verre en forme de tube, permettant la mise en oeuvre du procédé. Conformément à l'invention, ce problème est résolu en ce qu'on utilise un tube en verre qui est pré- traité de telle sorte que son diamètre intérieur augmente de façon continue, à l'intérieur de la zone de revêtement, dans la direction d'écoulement du courant de gaz. Avec le procédé conforme à l'invention, on obtient d'une mature simple une vitesse de revêtement axialement constante dans toute la zone de revêtement par le fait qu'on utilise des ébauches de verre en forme de tube qui sont prétraités de telle sorte qu'elles présentent, dans la direction d'écoule- mant du gaz, un diamètre intérieur augmentant de façon continue. Ce prêtraitement consiste en ce qu'un tube ayant un diamètre intérieur constant est soumis, à l'intérieur de la zone de revêtement, soit à un élargissement de profil conique dans la direction d'écoulement du gaz soit à un rétrécissement de profil conique en sens inverse de la direction d'écoulement du gaz. Il en découle que la diminution axiale de densité des molécules de formation de couche dans la direction d'écoulement du gaz par suite de la baisse de pression le long de la zone de revêtement de ce tube est précisément compensée par une augmentation, également axiale du volume de gaz, de telle sorte que la quantité déposée de molécules de formation de couche par unité de longueur du tube est sensiblement constant. 4 2641270 Au moyen de ce procédé il est également naturellement possible d'ajuster chacun des quelconques gradients d'épaisseur de couche dans la zone de revêtement du tube. Dans un tube de diamètre D soumis à un gaz en écoulement laminaire, la pression chute d'une valeur pi, sur une longueur z, à une valeur de pression p(z) laquelle est donnée par la relation: p(z) = (pl - K.M.Z.D4)1/ (1) dans laquelle M désigne le débit pondéral du gaz et K une constante d'écoulement caractéristique du gaz considéré. En ce qui concerne le gaz il s'agit normalement d'un mélange consistant en SiCl4 et 02 ces composants réagissant selon une réaction de formation de revête- ment SiO2 + 2Cl 2 Dans le procédé PICVD l'oxygène 02 est largement en excès de telle sorte que le mélange de gaz du point de vue de ses caractéristiques d'écoulement se comporte comme de l'oxygène. En raison du fait que le gaz SiCl4 est uniformé- ment réparti dans l'oxygène, le rapport de densité de particules de SiCl4 n à l'abscisse 1 et à l'abscisse z est donné par la relation: n1 P1 n(z) p(z) La loi de variation axiale de dépÈt de revête- ment est proportionnelle à la densité de particules de ment est proportionnelle à la densité de particules de SiCl4 et donc à la pression p(z) et n'est ainsi pas uniforme. En raison du fait que, dans le procédé PICVD, toutes les molécules de SiCl4 réparties sur la section transversale de la surface interne du tube participent également au revêtement de la paroi, pour autant que la pression et le diamètre interne ne soient pas trop importants, (p x Di. 20 mbar x cm), la densité de particule dé- croissante avec la pression peut être compensée par une augmentation de la surface interne du tube, de façon que le nombre de molécules de SiCl4 contenu dans un élément de volume du tube par élément de surface interne du tube correspondant soit constant: L.Di.p.dz 4 = const (2) YI.Di.dz Dans ce cas, une épaisseur axiale de revêtement uniforme n'est pas obtenue mais au contraire une surface de section transversale de revêtement axiale- ment uniforme est apportée, de façon que par écroulement ou effondrement du tube, un noyau massif sensiblement axialement uniformément réparti de matériau déposé est obtenu. A partir de la relation (2) on peut établir une égalité pour le diamètre intérieur du tube: po.Do = D(z).p (z) dans laquelle D(z) = Do. Po (3) P*(z) En raison du fait que dans un tube en forme d'en- tonnoir la variation de pression est donnée par la relation: *6 2641270 (4) p*(z) = (p2 - K.M. z Zo+Do.D(z)+D(z)) 1/2 O 3 Do.D(z) la variation du diamètre interne D(z) peut être faci- lementétabliepar itération à partir des relations (2) et (4). La Figure 4 représente la loi de variation du revêtement dans un tube de verre réalisé selon l'in- vention, de façon que des segments d'anneaux successifs présentant sensiblement la même masse respectivement le même volume sont obtenus. La fonction selon laquelle le diamètre du tube à revêtir doit être modifié axialement peut être obtenue en outre à partir de la variation d'épaisseur de couche dans la zone de revêtement d'un tube non traité, c'est-à-dire un tube dont le diamètre intérieur est constant dans toute la zone de revêtement ( cf figure 1). Dans ce but, on établit, à partir de la variation non uniforme de l'épaisseur de couche le long de la coor- donnée de tube z, d(z), la fonction de correction: d0 (z0 do( ZO) K(z) = d(z) o do (z0) représente l'épaisseur maximale de couche dans la zone de revêtement intervenant dans l'application consi- dérée ( par exemple une fabrication de préforme). Cette épaisseur de couche maximale est située (généralement) à l'extrémité d'entrée de gaz de la zone de revêtement lorsque le gaz est introduit à l'extrémité oppo- sée à l'application des micro-ondes. Après que la modification axiale du diamètre intérieur du tube à revêtir a été effectuée, Do représente le diamètre intérieur du tube jusqu'à la position zo, en considérant la direction d'écoulement du gaz, et D(Z) re- mrisento le diamètre intérieur jusqu'à la zone du tube qui doit être utilisée ( cf. figure 2), ce qui correspond à: D(z) = K(z) x DO Avec cette correction, le profil d'épaisseurs de couches est légèrement surcompensé en ce qui concerne les erreurs car il faut tenir compte d'une baisse de pression non modifiée de sorte que le tube traité produit cependant une autre baisse de pression. Pu une nouvelle application du calcul de correction ( par itération selon les circons- tances), il est possible de réduire à volonté l'écart entre le profil réel d'épaisseurs de couches et le profil désiré. Dans un exemple de Malisation, on a utilisé des tubes en verre au quartz ayant des dimensions typiques correspondant à un diamètre de 20 mm et une épaisseur de paroi de 2 mm. Du côté de la sortie de gaz, on a maintenu, au cours du processus, la pression à une valeur constante de 3 x 102Pa. Pour un débit pondéral M des gaz de réaction d'environ 250 cm3 ( 1013 xlOPa, O*C), il se produit ainsi sur une longueur de 50 cm une baisse de pression de O,4x 102Pa. Du fait que toutes les molécules de formation de couche se trouvant dans ce volume sont déposées sur la paroi intérieure du tube, la vitesse de précipitation du côté d'entrée des gaz a été supérieure de 13 % à celle obtenue à l'extrémité de sortie des gaz. En négligeant la baisse de pression, le tube a été élargi en diamètre inté- rieur en forme d'entonnoir, de façon que l'élargissement maximum à l'extrémité du revêtement côté sortie du gaz atteigne 0,26 cm, D(zE) = 2, 26 cm. Cet élargissement du tube a été réalisé dans un banc de tournage de verre. A cet effet, le tube maintenu serré a été relié à un systè- me de régulation de gaz de telle sorte que la pression dans le tube en verre au quartz puisse être réglée d'une façon très précise dans un domaine de l'ordre de 2 2 1 à 10 x 10 Pa. Pour une surpression de 2 x 10 Pa, le tube a été chauffé, à l'aide d'un brûleur à H2/02, suffisamment fortement (21000C) pour qu'il se ramollisse. La pression, la température de brûleur et la vitesse d'avance de brdleur ont été optimisées de telle sorte qu'il se produise un élargissement continu. On a obtenu dans toute la zone de revêtement,après le processus d'écroulement un dép6t correspondant à une épaisseur de couche uniforme et à un diamètre de noyau uniforme pour la préforme. La figure 3 représente le profil sensiblement constant du diamètre du noyau dans la zone de revêtement lors de l'application du procédé conforme à l'invention. A titre de comparaison, on a indiqué en trait inter- rompu la courbe de variation du diamètre du noyau sans utilisation du procédé conforme à l'invention. On comprendra facilement, que le revêtement d'une ébauche de verre en forme de tube objet de la présente invention selon le procédé objet de l'invention conduit à l'obtention d'une loi de variation sensiblement constante du diamètre du noyau dans la préforme de conducteur de lumière. 9 2641270 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une préforme d'un conduc- teur d'ondes lumineuses par dépôt chimique en phase- vapeur induit par impulsions de plasma (procédé PICVD), selon lequel on fait passer un courant de gaz dans un tube en verre et on dépose à partir du courant de gaz une succession de couches d'une épaisseur et d'un indice de réfraction déterminés à l'intérieur d'une zone de revêtement située sur la face intérieure du tube en verre, 1Cr caractérisé en ce qu'on utilise un tube en verre qui est prétraité de telle sorte que son diamètre intérieur augmente de façon continue,à l'intérieur de la zone de revêtement, dans la direction d'écoulement du courant de gaz. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la détermination de la grandeur de cette augmentation continue, on utilise le profil d'épaisseur de couche d'un tube en verre non prétraité. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches dans la zone de revêtement du tube de verre sont déposées de façon que, dans la préforme de conducteur d'ondes lumineuses produite par effondrement de l'ébauche de verre, d'épaisseur de couche constante est obtenu. 4. Ebauche de verre en forme de tube, adapté à la fabrication d'une préforme d'un conducteur d'ondes lumi- neuses par dép8t chimique en phase-vapeur induit par impulsions de plasma (procédé PICVD), caractérisé en ce que le diamètre interne de l'ébauche dans la zone de revêtement augmente continuement. 5. Ebauche de verre en forme de tube selon la reven- dication 4, caractérisé en ce que celle-ci à l'intérieur de la zone de revêtement est munied'un revêtement de façon que dans la préforme de conducteur d'ondes lumi- neuses produite par effondrement de l'ébauche de verre, un profil axial d'épaisseur de couche constante est obtenu.