Brevet FR2714371A1 — publié le 19950630

PROCEDE DE RECHARGE D'UNE PREFORME DE FIBRE OPTIQUE, DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE ET FIBRE OPTIQUE OBTENUE PAR CE PROCEDE La présente invention concerne un procédé de recharge d'une préforme de fibre optique dans lequel on dépose de la silice dopée ou non dopée sur une préforme au moyen d'une torche à plasma. Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé et la fibre optique obtenue selon ce procédé. L'utilisation de la fibre optique en silice dans les réseaux de télécom- munication à longue distance régionaux, locaux et intercentraux est aujourd'hui largement répandue et la fibre optique est un produit hautement normalisé. Cependant, l'introduction prochaine de la fibre dans les réseaux d'abonnés pousse les fabricants à développer des procédés de fabrication encore plus efficaces car cette nouvelle appli- cation entraînera une augmentation considérable de la demande et le prix de la fibre interviendra de manière encore plus importante qu'aujourd'hui. D'autre part, la demande croissante pour des cables à fibres optiques fortement sollicitées mécaniquement, en particulier en allongement, ainsi que la nécessité, pour des raisons économiques, d'alléger les structures de renforcement des câbles actuels, entraînent une demande pour des fibres plus résistantes au vieillissement. Le dopage au titane de la couche de silice constituant la surface de la fibre permet d'améliorer cette résistance mais requiert un procédé de fabrication particulier. Les fibres optiques utilisées en télécommunication sont constituées d'un coeur en silice d'environ 9 lm de diamètre pour une fibre monomode et d'une gaine optique, également en silice de 125 jm de diamètre. Un revêtement acrylique de 250 lm de diamètre protège la surface de la silice contre les atteintes de nature mécanique et chimique. Une différence d'indice de réfraction optique positive entre la silice du coeur et la silice de la gaine de la fibre, obtenue par dopage, confère à la fibre ses propriétés de guidage de la lumière. Pour que la lumière puisse se propager sans trop de pertes sur de longues distances, il est indispensable de recourir à la silice synthétique ultrasèche pour former le coeur et la partie de la gaine optique qui entoure le coeur de la fibre. Cette exigence n'est en revanche pas nécessaire pour la partie extérieure de la gaine. Dans cette partie de la fibre il faut avant tout éviter la présence de particules étrangères susceptibles de fragiliser la fibre. La fabrication d'une fibre optique comprend toujours deux opérations principales qui sont la fabrication de la préforme et le fibrage de la préforme. Une préforme est un barreau de silice typiquement d'un mètre de longueur et de quelques centimètres de diamètre dont la structure et la composition sont identiques à celles de la fibre qui sera obtenue après fibrage. Dans le cas de la fibre monomode, la fabrication d'une préforme comprend, elle aussi, deux opérations qui sont la fabrication de la préforme coeur, et la recharge de la préforme coeur. Les procédés utilisés pour fabriquer les préformes coeur diffèrent de par le substrat sur lequel est déposée la silice synthétique devant former le coeur de la fibre, mais la réaction de synthèse est toujours la même. Les principaux réactifs utilisés sont des chlorures de silicium et de germanium, qui est l'élément dopant, et l'oxygène qui réagissent à haute température (T > 1000 C) selon le schéma: SiCl. (vapeur) + 02 (gazeux) SiO2 (solide) + 2C12 (vapeur) pour former des suies qui se déposent par thermophorèse sur un substrat plus froid, étant donné que la réaction a lieu en phase vapeur. Un traitement thermique approprié permet par la suite de vitrifier les suies déposées. Les chlorures utilisés se présentent à température ambiante sous forme liquide. Ils sont en général transportés sur le lieu de réaction sous forme de vapeur saturante par un flux d'oxygène constituant une partie de l'oxygène nécessaire à la réaction d'oxydation. La préforme coeur ne constitue qu'une faible partie de la totalité de la silice nécessaire à la fabrication des fibres monomodes. La silice extérieure, qui constitue la recharge, n'a pas besoin d'être de qualité optique. Elle peut être obtenue par un procédé dit "à suies". A cet effet, la préforme coeur est remontée sur un banc de dépôt extérieur et sert d'amorce à une série de passes de chalumeau au cours desquelles une grande quantité de silice est déposée. Cette silice est ensuite consolidée par immersion dans un four sous atmosphère chlorée. Les opérations de dépôt et de consolidation ont des durées sensiblement égales. L'intérêt d'une torche à plasma pour recharger les préformes est de permettre, grâce à une température de flamme très élevée (>6000 K), de simultanément synthétiser, déposer et vitrifier une recharge de silice, et cela même si elle contient des dopants comme le titane qui élèvent la température de vitrification. La silice synthétisée et déposée à l'aide d'une torche à plasma possède les propriétés requises pour garantir à la fibre une bonne résistance mécanique: - c'est une silice synthétique à la composition chimique bien contrôlée et exempte d'inclusions accidentelles; - la température de flamme élevée donne par polissage au feu un excellent état de surface à la couche déposée. Une torche à plasma est un dispositif dans lequel une décharge élec- trique est maintenue dans un écoulement gazeux. En présence d'une décharge électrique, le gaz est ionisé et devient un plasma, électri- quement conducteur, ce qui lui permet d'absorber l'énergie électro- magnétique fournie. L'absorption de cette énergie électromagnétique se traduit par une augmentation de température du gaz plasma. Selon une technique déjà utilisée, la silice à déposer est obtenue par injection de granulés à l'avant de la torche à plasma, laquelle provoque alors la fusion, le dépôt et la vitrification de cette silice sur la préforme. Les résultats obtenus par cette technique sont tributaires de la pureté et de la taille des granules de silice utilisées. L'insertion d'impuretés provenant de ces granules dans la matière déposée n'est pas exclue. La présente invention se propose de pallier ces inconvénients en offrant un procédé tel que mentionné en préambule et permettant d'obtenir par des moyens simples, efficaces et facilement contrôlables, une recharge des préformes d'excellente qualité et dont la composition est contrôlée d'une manière très precise. Ce but est atteint par le procédé selon l'invention, caractérisé en ce que l'on injecte les matériaux à l'origine de cette recharge au moyen d'un flux gazeux sur l'axe de symétrie de ladite torche, au centre du courant de gaz plasmagène alimentant cette torche. Selon un mode de réalisation préféré du procédé, lesdits matériaux peuvent être des granules de silice cristalline ou amorphe, ou des composés volatils de silicium choisis parmi des substances qui réagissent avec l'oxygène pour générer des suies de silice, qui sont transportés sur la préforme et y sont vitrifiés par l'action de la torche à plasma. De préférence, lesdits composés volatils renferment en outre des chlorures, des oxychlorures ou des halogènes d'éléments dopants. De façon avantageuse, on injecte lesdits matériaux ou composés à l'origine de la recharge à une vitesse correspondant à un nombre de Mach M compris entre 0,2 et 3, o M est le rapport V/C entre la vitesse V d'injection axiale du courant gazeux et la vitesse C de propagation du son dans ce même gaz. Le principe d'injection axiale peut également être utilisé pour injecter des granules de silice dans la torche à plasma. On constitue ainsi un jet de silice de faible divergence angulaire qui permet d'améliorer l'efficacité de dépôt desdits granules sur la préforme à recharger. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comportant une torche à plasma est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour injecter les matériaux à l'origine de ladite recharge dans un flux gazeux sur l'axe de symétrie de ladite torche, au centre du courant de gaz plasmagène alimentant la torche. Dans la forme de réalisation préférée, ladite torche à plasma comporte en son centre un injecteur axial agencé pour injecter dans un flux gazeux, soit des granules de silice, soit un courant gazeux de composés volatils du silicium choisis parmi des substances qui réagissent avec l'oxygène pour générer des suies de silice. De préférence, l'injecteur central est entouré d'au moins un tube de gainage qui définit avec lui un canal de gainage principal agencé pour injecter un flux longitudinal laminaire de gaz chimiquement neutre qui peut comporter de l'argon. D'une façon avantageuse, ledit tube de gainage comporte un circuit de refroidissement par circulation de liquide, la température de refroidissement étant choisie de manière à prévenir la condensation par détente des composés gazeux injectés au centre de la torche. Ledit tube peut être entouré d'un tube intermédiaire qui définit avec lui un canal de gainage auxiliaire agencé pour injecter un flux longitudinal laminaire de gaz chimiquement neutre qui peut comporter de l'argon. Le tube intermédiaire est avantageusement entouré d'un tube extérieur et le passage annulaire ménagé entre ces deux tubes permet une injection longitudinale et laminaire de gaz plasmagène qui peut comporter de l'oxygène. Dans la forme de réalisation préférée du dispositif, la fréquence d'alimentation de la torche plasma est supérieure à 5 MHz et de préférence comprise entre 5 et 64 MHz. La présente invention sera mieux comprise en référence à la descrip- tion d'un mode de réalisation préféré donné à titre d'exemple non limitatif et aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente une vue en perspective de la torche à plasma du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et la figure 2 représente une vue en coupe axiale de la torche à plasma selon la figure 1. En référence à la figure 1, la torche à plasma 10 fonctionne à pression atmosphérique et est alimentée électriquement à une haute fréquence comprise entre 5 et 64 MHz. Le champ électromagnétique est créé par une bobine hélicoïdale 11 qui constitue un inducteur enroulé autour d'un tube extérieur 12 servant d'enceinte de confinement pour le gaz ionisé. Ce tube est monté sur un corps 13 qui contient un injecteur central 14 disposé au centre d'un tube intermédiaire 15. Un courant d'oxygène et d'autres gaz réactifs est injecté dans l'enceinte à travers l'injecteur 14. L'énergie électromagnétique est transférée au gaz ionisé par couplage inductif, c'est-à-dire par l'intermédiaire des courants induits dans le gaz rendu conducteur. Le volume de gaz ionisé joue ainsi le rôle du circuit secondaire d'un transformateur qui ne comporterait qu'une seule spire. Pour des raisons d'effet de peau dont l'importance augmente avec la fréquence du champ électromagnétique, la température du gaz plas- magène présente un gradient radial avec un minimum relatif sur l'axe de la torche. La réduction de l'agitation thermique du gaz situé dans la zone axiale de la torche par rapport à celle des couches extérieures est primordiale pour permettre l'injection de gaz réactifs froids sur l'axe de ladite torche. Ces réactifs peuvent ainsi constituer un jet de divergence angulaire minimale pour autant que leur vitesse excède suffisamment celle des gaz de la zone annulaire contiguë. On peut ainsi être amené à injecter lesdits réactifs à des vitesses excédant celle du son dans le même gaz. On définit alors l'écoulement par son nombre de Mach M = V/C, qui peut dans le cas de la présente invention être comprise entre 0,2 et 3, o V est la vitesse d'injection axiale du courant gazeux et C la vitesse de propagation du son dans ce même gaz. Pour le dépôt de silice, les réactifs sont l'oxygène et les chlorures et oxychlorures de silicium, auxquels on peut ajouter les différents chlorures, oxychlorures ou halogènes correspondant aux dopants (Ti, P. F,...). Pour obtenir un rendement de dépôt élevé, il est nécessaire que la section du flux de suies soit inférieure à la surface de la cible. Toutes les précautions utiles doivent être prises pour réduire la divergence dudit flux de suies et la torche doit être construite de manière à éviter les turbulences pouvant entraîner une dispersion du jet central. Les nflux de gaz concentriques établis à l'intérieur de la torche doivent être aussi parfaitement longitudinaux que possible, et non hélicoidaux, pour éviter ces turbulences. D'autre part, la chaleur transférée au substrat doit être suffisante pour vitrifier la totalité des suies déposées. Ces exigences donnent des indications sur la puissance électrique requise et les conditions d'écoulement des gaz réactifs et plasmagènes. Le jet de gaz réactifs 16 se situe au centre d'une flamme 17 et le dépôt sur une préforme 18 servant de cible, s'effectue sur une zone 19 qui est annulaire si la préforme est entrainée en rotation comme le montre la flèche A. La fig.ure 2 représente une vue en coupe axiale de la torche à plasma 10. L'injecteur 14, qui occupe une position centrale, assure l'injection des gaz réactifs qui sont constitués d'un mélange d'oxygène (02) et de tétrachlorure de silicium (SiClG). Pour une pression Po de 1, 5 à 3 bars, le diamètre de l'injecteur à son extrémité, qui constitue une buse d'injection 20, est compris entre 1 et 2 mm. L'injecteur 14 est entouré d'un tube de gainage 21 qui définit avec lui un canal de gainage principal 22 et qui comporte un circuit de refroidissement à eau 23. Ce tube de gainage est coaxial au tube intermédiaire 15 et définit avec lui un canal auxiliaire 24. Les canaux de gainage principal 22 et auxiliaire 24 véhiculent un gaz chimiquement neutre tel que l'argon. Entre le tube extérieur 12 et le tube intermédiaire 15 est ménagé un passage annulaire pour un gaz plasmagène, en l'occurrence de l'oxygène, qui est par exemple injecté avec un débit de l'ordre de l/min pour une puissance de 30 kW, lequel débit doit être augmenté proportionnellement à la puissance utilisée. Les flux d'argon sont utilisés pour ajuster les conditions de fonction- nement de la torche pendant le dépôt de silice. On réalise autour de l'injecteur central une couronne circulaire par laquelle on envoie de l'argon. Comme le champ électrique au centre de la torche est réduit par rapport à sa valeur maximum, l'argon injecté dans cette couronne de gainage est peu ionisé: sa température reste de ce fait inférieure de quelques milliers de K à celle du plasma. La dilatation thermique de ce flux de gaz est ainsi plus faible que celle du gaz plasmagène, ainsi que sa vitesse. Il protège directement l'injecteur de la zone à très haute température du plasma. Deux types d'injecteurs peuvent être utilisés: des injecteurs non refroidis en quartz, employés pour les faibles débits de SiCL et ayant une durée de vie limitée lorsque ces débits dépassent 20 g/min, et des injecteurs métalliques refroidis pour le dépôt de silice à fort débit. Les injecteurs métalliques possèdent quatre avantages principaux par rapport aux injecteurs en quartz: - durée de vie: la faible quantité de silice qui se dépose sur l'injecteur ne colle pas au métal refroidi et peut être soit enlevée mécaniquement à l'arrêt, soit enlevée par attaque chimique pendant le fonctionnement de la torche par l'envoi d'un gaz fluoré (fréon, SF6); - précision géométrique, facilité d'usinage et reproductibilité; - réduction du diamètre de la couronne de gainage grâce à l'utilisation de tubes métalliques à paroi mince, auquel cas le diamètre de la tache d'impact des suies se trouve réduit, ce qui contribue à un meilleur rendement du dépôt; - robustesse et résistance aux chocs thermiques. Le tube plasma et les tubes intérieurs sont obligatoirement réalisés dans un matériau électrique isolant, sans quoi le champ lH.F. y serait absorbé: la tangente de pertes doit être inférieure à 10-' à la température de travail. A l'allumage et à l'extinction du plasma, la température du gaz plasmagène varie en une seconde de plusieurs milliers de degrés. Pour résister à ce violent choc thermique, un matériau doit avoir soit un faible coefficient de dilatation thermique, soit une conductibilité thermique élevée (si possible les deux à la fois, mais rares sont les matériaux possédant simultanément une bonne conductibilité thermique et une très mauvaise conductivité électrique à haute température). La colonne de plasma à 8000 K émettant de l'ultraviolet à l'infrarouge, il est préférable que le diélectrique utilisé soit transparent dans un large domaine spectral pour réduire l'échauffement du tube par absorption de rayonnement. Du point de vue chimique, ces matériaux doivent résister à roxygène, aux chlorures et à leurs produits de décomposition. Si malgré tout il se produisait une attaque chimique à long terme, les produits de décom- position ainsi créés ne doivent pas polluer la silice déposée. Les matériaux pouvant répondre à ces critères sont le nitrure de silicium ou la silice. La silice est préférable au nitrure, car c'est un meilleur isolant électrique et sa résistance au choc thermique est très élevée. Elle est de plus transparente entre 0,2 et 4 mm, disponible commercialement à un prix acceptable, et d'une mise en oeuvre facile. Elle a été choisie pour la confection des tubes de la torche. On trouvera ci-après les caractéristiques constructives et les débits et vitesses de gaz obtenus dans deux exemples de réalisation d'une torche à plasma selon l'invention. Exemple 1 diamètres sections débit stand. nature Température Vitesse sortie Vitesse dépôt débits (ram) (mm') (i/mm) (lu gaz ( C) (m/s) (g/min) entre 12 et 15: plasmagène 34 32 103,67 45,0 O0 60 8,22 entre 15 et 21: auxiliaire 24 20 138,23 7,5 Ar 60 1,03 à travers 22: gainage 3,3 2,3 4,40 5,0 Ar 60 21,53 à travers 14: injection 1,3 1,33 4,0 02 100 129,59 débit chlorures 31,2 4,1 SiCI4 3,7 (g/min) stoechiom. 49% Rendement 34% Puissance électrique mesurée sur l'inducteur: 30 kW Fréquence d'alimentation de l'inducteur de la torche 7 MHz Diamètre de la préforme-cible: 17 mm Exemple 2 diamètres sections débit stand. nature Température Vitesse sortie Vitesse dépôt débits (mm) (mm2) (l/mm) du gaz ( C) (m/s) (g/min) entre 12 et 15: plasmagène 34 32 103,67 45,0 02 60 8,22 entre 15 et 21: auxiliaire 24 20 138,23 7,5 Ar 60 1,03 à travers 22: gainage 3,3 2,3 4,40 5,0 Ar 60 21,53 à travers 14: injection 1,3 1,33 1,0 02 100 75,66 débit chlorures 28,3 3,7 SiCI4 2,7 (g/min) stoechiom. 21% Rendement 27% Puissance électrique mesurée sur l'inducteur: 30 kW Fréquence d'alimentation de l'inducteur de la torche: 7 MHz Diamètre de la préforme-cible: 17 mm Les débits sont en l/min à la température standard. Les volumes sont à convertir en fonction de la température de la ligne. Le procédé utilisé et mis en oeuvre au moyen d'une torche à plasma décrite permet d'obtenir d'excellents résultats dans des conditions d'utilisation faciles à maîtriser et remplit de ce fait pleinement les objectifs fixés. La présente invention n'est toutefois pas limitée aux exemples de réalisation et d'application décrits ci-dessus, et s'étend à toute modi- fication ou variante évidente pour un homme du métier. REVENDICATIONS 1. Procédé de recharge d'une préforme de fibre optique dans lequel on dépose de la silice dopée ou non dopée sur une préforme au moyen d'une torche à plasma, caractérisé en ce que l'on injecte les matériaux à l'origine de cette recharge au moyen d'un flux gazeux sur l'axe de symétrie de ladite torche, au centre du courant de gaz plasmagène alimentant cette torche. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits matériaux sont des granules de silice cristalline ou amorphe qui sont transportés sur la préforme et y sont vitrifiés par l'action de la torche à plasma. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits matériaux sont des composés volatils de silicium choisis parmi des substances qui réagissent avec l'oxygène pour générer des suies de silice qui sont transportées sur la préforme au moyen d'un flux gazeux central et y sont vitrifiés par l'action de la torche à plasma. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits composés volatils renfermant en outre des chlorures, des oxychlorures ou des halogènes d'éléments dopants. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on injecte lesdits matériaux ou composés à l'origine de la recharge à une vitesse correspondant à un nombre de Mach M compris entre 0,2 et 3, o M est le rapport V/C entre la vitesse V d'injection axiale du courant gazeux et la vitesse C de propagation du son dans ce même gaz. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de recharge d'une préforme de fibre optique pour déposer de la silice synthétique dopée ou non sur cette préforme, ce dispositif comportant une torche à plasma (10), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (14) pour injecter les matériaux à l'origine de ladite recharge dans un flux gazeux sur l'axe de symétrie de ladite torche, au centre du courant de gaz plasmagène alimentant la torche. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite torche à plasma comporte en son centre un injecteur axial (14) agencé pour injecter, dans un flux gazeux, soit des granules de silice, soit un courant gazeux de composés volatils qui réagissent avec l'oxygène pour générer des suies de silice. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'injecteur central est entouré d'au moins un tube de gainage (21) qui définit avec lui un canal de gainage principal (22) agencé pour injecter un flux longitudinal laminaire de gaz chimiquement neutre. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit flux de gaz chimiquement neutre comporte de l'argon. 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit tube de gainage (21) comporte un circuit de refroidissement par circulation de liquide (23), la température de refroidissement étant choisie de manière à prévenir la condensation par détente des composés gazeux injectés au centre de la torche. 11. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit tube de gainage (21) est entouré d'un tube intermédiaire (15) qui définit avec lui un canal de gainage auxiliaire (24) agencé pour injecter un flux longitudinal laminaire de gaz chimiquement neutre. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit flux de gaz chimiquement neutre comporte de l'argon. 13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le tube intermédiaire (15) est entouré d'un tube extérieur (12) et en ce que le passage annulaire ménagé entre ces deux tubes permet une injection longitudinale et laminaire de gaz plasmagène. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le gaz plasmagène comporte de l'oxygène. 15. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la fréquence d'alimentation de la torche plasma (11) est supérieure à 5 MHz et de préférence comprise entre 5 et 64 MHz. 16. Fibre optique issue d'une préforme primaire rechargée de silice par le procédé selon l'une des revendications 1 à 6.