Brevet FR2724022A1 — publié le 19960301

FIBRE OPTIQUE COMPRENANT UNE COUCHE PROTECTRICE, ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE FIBRE La présente invention conceme une fibre optique comprenant une couche protectrice, ainsi qu'un procédé de fabrication d'une telle fibre. La structure classique d'une fibre optique est bien connue: une fibre optique comprend un coeur optique, servant au guidage de la majorité des ondes lumineuses, entouré d'une gaine optique, le coeur et la gaine étant tous deux constitués d'un matériau à base de silice, plus ou moins dopée selon les zones du coeur ou de la gaine. On définit ici la gaine optique au sens large, c'est-à-dire que ia gaine optique comprend toutes les couches à base de silice qui entourent le coeur, quel que soit le procédé avec lequel elles ont été obtenues. Dans certaines fibres optiques connues, la gaine optique est directement recouverte d'un revêtement de résine, destiné à éviter en partie l'effet des microcourbures subies par la fibre, notamment lorsqu'elle est installée dans un câble. En effet, lors de son installation et de son utilisation, la fibre optique est soumise à des contraintes en flexion et en traction qui conduisent à long terme à sa fatigue mécanique, c'est-à-dire à une dégradation de ses propriétés mécaniques ayant pour conséquence une dégradation de ses performances de transmission. Dans d'autres fibres optiques connues, destinées principalement à être utilisées dans des milieux humides (notamment dans des applications sous-marines) où la fibre optique est soumise à l'action de l'eau et des ions hydroxyles OH-, une couche protectrice est disposée directement sur la gaine optique, sous le revêtement de résine. En effet, lorsque la fibre optique est soumise à des contraintes qui entraînent sa fatigue mécanique, et provoquent par conséquent des microfissures à sa surface, son attaque par l'humidité ou les ions OH- tend à faire propager les microfissures, ce qui affaiblit la fibre et en dégrade donc les performances de transmission. De manière connue, la couche protectrice réalisée sur de telles fibres est en général constituée de carbone non cristallin ou turbostratique (c'est-à-dire ayant une structure telle qu'il est rendu très étanche par comparaison au carbone graphite) déposé par exemple par voie chimique en phase vapeur sur la fibre optique. Une telle couche protectrice de carbone n'est toutefois pas entièrement satisfaisante: si elle assure une étanchéité suffisante de la fibre, elle présente en revanche une mauvaise résistance à l'abrasion, ceci étant dû au fait qu'elle ne possède pas une dureté suffisante. Elle ne protège donc pas la fibre à long terme contre l'abrasion due à son frottement contre les autres fibres lorsque plusieurs d'entre elles sont installées dans un câble, ou encore à son frottement contre la paroi intérieure du câble dans lequel elle est installée. Or l'abrasion de la fibre a pour conséquence l'apparition de microfissures à sa surface, qui entraînent des risques de rupture de la fibre. Pour éviter l'abrasion de la fibre, il faut que l'épaisseur du revêtement de résine de la fibre soit importante, en pratique au moins égale à 60 clam. Or ceci est très pénalisant lorsque l'on souhaite, comme c'est le cas actuellement, accroître la capacité des câbles à fibres optiques, de sorte qu'ils puissent contenir jusqu'à 50 à 100 fibres optiques. Ainsi, un revêtement de résine d'épaisseur importante est préjudiciable à la compacité du câble, cette compacité étant nécessaire pour pouvoir utiliser le câble dans des applications où l'espace disponible est très réduit. II est également connu par la demande de brevet WO 87/05 831 de réaliser la couche protectrice en un matériau à base de céramiques polycristallines (comme des carbures, des borures, des nitrures, des oxydes métalliques, etc...). Toutefois, une telle couche protectrice présente des propriétés d'étanchéité insuffisantes. En effet, du fait de sa structure cristalline, elle est constituée de "grains" séparés les uns des autres par des "joints de grains", de sorte qu'elle n'est pas entièrement hermétique : au niveau des joints, I'étanchéité de la couche est donc mauvaise. En outre, les grains créent des microcontraintes à la surface de la fibre, diminuant ainsi sa résistance mécanique. Enfin, le dépôt de couches protectrices à base de céramiques polycristallines doit être effectué à basse pression, ce qui est coûteux et délicat à réaliser en ligne après le fibrage de la préforme de la fibre optique et avant le revêtement de résine. Le but de la présente invention est donc de réaliser une fibre optique dont la couche protectrice présente à la fois une dureté suffisante pour servir à la protection mécanique de la fibre en évitant son abrasion, et une étanchéité suffisante pour éviter l'action de l'humidité sur la fibre, tout en permettant une diminution de l'épaisseur du revêtement de résine. La présente invention propose à cet effet une fibre optique comprenant un coeur optique entouré d'une gaine optique, tous deux en un matériau à base de silice, une couche protectrice étant déposée sur ladite gaine optique, caractérisée en ce que ladite couche protectrice est constituée de bore essentiellement non cristallin, le volume occupé dans ladite couche protectrice par des grains cristallisés étant d'au plus 1%. On entend ici par gaine optique l'ensemble des couches à base de silice entourant le coeur de la fibre optique. Le bore non cristallin, également dit amorphe, est notamment caractérisé par l'absence de joints de grains dans sa structure, ce qui lui confère une forte résistance à la rupture et une bonne étanchéité. II présente donc les mêmes avantages que le carbone non cristallin pour ce qui est de son étanchéité. En revanche, il présente une dureté nettement supérieure à celle du carbone non cristallin, qui confère à la fibre optique une résistance à l'abrasion améliorée, de sorte que l'épaisseur du revêtement protecteur de résine peut être réduite sensiblement par rapport au cas où la couche protectrice est réalisée à base de carbone. Etant donné que le bore non cristallin assure une étanchéité comparable à celle assurée par le carbone, cette étanchéité est bien meilleure que celle obtenue avec les céramiques polycristallines. En outre, le bore non cristallin peut être déposé comme le carbone, à grande vitesse au moyen d'un procédé de dépôt chimique en phase vapeur à pression sensiblement égale à la pression atmosphérique, et par conséquent simple à mettre en oeuvre sur la ligne de fibrage. On rappelle que les structures non cristallines sont caractérisées par une désorganisation de la matière qui les constitue. Le taux maximal de 1% de grains cristallisés toléré dans la couche protectrice de bore selon l'invention correspond aux traces de cristallisation dont l'apparition est impossible à éviter, et qui sont donc présentes au titre des imperfections de structure de la couche de bore amorphe, sans conséquences notables sur les propriétés recherchées de la couche protectrice. Avec un tel taux de grains cristallisés, on peut dire que le bore déposé est "essentiellemenr' non cristallin De manière très avantageuse, la couche de bore peut être déposée sur une couche de carbone non cristallin, elle-même déposée directement sur la gaine optique. Ceci assure une meilleure dénudabilité de la fibre optique obtenue. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description suivante d'une fibre selon l'invention et d'un procédé de fabrication d'une telle fibre, donnée à titre illustratif et nullement limitatif. Dans les figures suivantes: - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une fibre optique selon l'invention, - la figure 2 est un schéma simplifié d'un dispositif de fibrage comprenant des moyens de dépôt d'une couche de bore selon l'invention. Dans ces figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence. On voit en figure 1 une fibre 1 selon l'invention. La fibre 1 comporte, disposés coaxialement de l'intérieur vers l'extérieur: - un coeur optique 2 à base de silice, servant au guidage de la majorité des ondes lumineuses, - une gaine optique 3 également à base de silice, - une couche 4 de carbone non cristallin de 10 à 50 nm d'épaisseur, de préférence voisine de 30 nm, - une couche 5 de bore essentiellement non cristallin d'épaisseur comprise entre 10 et 200 nm, et de préférence voisine de 100 nm, - un revêtement protecteur de résine 6 d'épaisseur inférieure à 50 clam, et de préférence voisine de 10 um. II est bien évident que le coeur et la gaine optique peuvent avoir une structure simple classique, c'est-à-dire comporter chacun une seule couche d'indice de réfraction constant, ou bien une structure plus complexe, c'est-à-dire être constitué chacun de plusieurs couches superposées, et avoir chacun un indice de réfraction variable. On ne décrira pas ici plus en détail la structure du coeur ou de la gaine optique, car cela n'entre pas dans le cadre de la présente invention. Toutefois, on comprend bien que l'invention peut être appliquée à n'importe laquelle des structures de fibres connues. Comme il a été indiqué plus haut, la couche 4 de carbone sert à faciliter le dénudage ultérieur de la fibre optique en vue de son raccordement. Elle peut servir en outre de protection pour éviter l'oxydation du bore par réaction de ce demier avec la silice SiO2 de la gaine optique 3. Toutefois, cette réaction d'oxydation ne se produira que très rarement, étant donné la grande vitesse de défilement de la fibre lors du dépôt du bore (de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de m/min), cette vitesse empêchant l'équilibre d'une telle réaction d'être atteint pendant le temps de présence de la fibre dans le réacteur où s'effectue le dépôt de bore, c'est-à-dire pendant le temps où la fibre est à une température susceptible d'être favorable à la réaction. La couche de carbone 4 est donc optionnelle dans le cadre de la présente invention, et son rôle peut être rempli par n'importe quel autre matériau adapté et compatible avec les matériaux constituant la gaine optique 3. La couche 5 de bore non cristallin selon l'invention assure la protection mécanique de la fibre, conférant ainsi à cette demière une résistance à l'abrasion accrue par rapport à ce qui était obtenu dans l'art antérieur, et permettant donc l'utilisation de la fibre 1 dans des câbles optiques de grande capacité et de grande compacité, I'épaisseur du revêtement de résine pouvant pratiquement être diminuée de moitié par rapport à ce qui est nécessaire lorsque l'on utilise une couche protectrice de carbone. La couche 5 assure en outre une étanchéité comparable à celle assurée dans I'art antérieur par la couche de carbone, et meilleure que celle obtenue avec des couche protectrices à base de céramiques polycristallines. A titre de comparaison, on indique que la dureté Vickers du bore non cristallin est de l'ordre de 3000 à 4000 kg/mm2, alors que celle du carbone non cristallin est estimée à environ 500 à 1000 kglmrn2. A titre indicatif, la dureté Vickers du diamant naturel est de 9000 kg/mm2. Ainsi, du fait de la dureté environ 3 à 8 fois supérieure du bore non cristallin, on obtient la résistance à l'abrasion souhaitée pour la fibre protégée selon l'invention, ce qui rend possible la diminution de l'épaisseur du revêtement protecteur de résine. II est important de noter que la structure non cristalline du bore dans la couche 5 selon l'invention est essentielle pour obtenir toutes les propriétés recherchées. En effet, la structure essentiellement non cristalline permet d'obtenir une étanchéité comparable à celle obtenue avec le carbone, puisqu'elle ne présente pas de joints de grains, ainsi qu'une résistance à l'abrasion nettement améliorée par rapport à ce qui est obtenu avec le carbone, du fait de la très grande dureté du bore non cristallin par rapport au carbone non cristallin. Le faible taux de grains cristallisés (au maximum 1%) assure que la couche 5 a bien les propriétés recherchées en termes de dureté et d'étanchéité, c'est-à-dire que les parties de cette structure qui sont cristallisées sont négligeables par rapport à celles qui ne le sont pas, de sorte qu'elles n'ont pas de conséquences préjudiciables. Un taux de grains cristallisés de 1% correspond à une cristallisation dont l'obtention est inévitable lors de la mise en oeuvre de la couche 5. On va maintenant décrire, en relation avec la figure 2, qui montre de manière schématique un dispositif 10 permettant la fabrication de la fibre 1 de la figure 1, un procédé de fabrication possible de la fibre 1 selon l'invention. Le dispositif 10 comprend, disposés les uns à la suite des autres au sein d'une installation verticale de fibrage: - un four de fibrage 11 dans lequel est fibrée de manière classique et bien connue une préforme 12 présentant un coeur optique (non représenté) de composition identique et de diamètre supérieur à ceux du coeur 2, entouré d'une gaine optique (non représentée) de composition identique et d'épaisseur supérieure à celles de la gaine optique 3, le rapport des diamètres de la gaine optique au coeur optique de la préforme 12 étant identique au rapport des diamètres de la gaine optique 3 et du coeur optique 2, - des moyens de contrôle 14 du diamètre de la fibre nue 13 obtenue en sortie du four de fibrage 11, - un réacteur 15 pour le dépôt chimique en phase vapeur à pression voisine de la pression atmosphérique de la couche 4 de carbone non cristallin, - un réacteur 16 pour le dépôt chimique en phase vapeur à pression voisine de la pression atmosphérique de la couche 5 de bore non cristallin, - des moyens 17 d'enduction de résine, pour réaliser le revêtement de résine 6 sur la couche de bore 5, - un dispositif 18 de polymérisation par rayonnement ultraviolet du revêtement de résine 6, - des moyens 19 de contrôle du diamètre final de la fibre 1 obtenue, - une bobine 20 d'enroulement de la fibre 1 terminée. On n'a représenté qu'un seul réacteur 15 pour le dépôt de carbone, et un seul réacteur 16 pour le dépôt de bore. Toutefois, lorsque cela est nécessaire, le dépôt de carbone etlou le dépôt de bore peuvent être effectués dans plusieurs réacteurs disposés les uns à la suite des autres le long de la ligne de fibrage. Pour le dépôt de la couche de bore 5, le réacteur 16 doit de préférence être disposé sur la ligne de fibrage à une distance de la sortie du four de fibrage 11 telle que la température de la fibre nue 13 ou revêtue de carbone est voisine de 1100"C à l'intérieur du réacteur 16. Les réactifs utilisés dans le réacteur 16 peuvent être par exemple le chlorure de bore BC13 et l'hydrogène H2, le mélange étant chauffé à une température inférieure à 1 1000C pour obtenir la formation de la couche de bore 5. Dans ces conditions, et avec une vitesse de fibrage de 200 m/min, il est possible de déposer une couche de bore 5 d'épaisseur environ égale à 30 nm pendant le temps de passage dans le réacteur 16 de la fibre nue 13 ou revêtue de carbone. Pour obtenir une couche de bore 5 constituée de bore essentiellement non cristallin avec un taux de grains cristallisés au plus égal à 1%, il est préférable que la vitesse de transfert du bore en phase gazeuse vers la surface de la fibre nue 13 ou revetue de carbone soit élevée. En effet, c'est cette vitesse élevée d'apport du bore à la surface de la fibre qui assure la formation d'une couche de bore essentiellement non cristallin. Cette vitesse élevée peut être obtenue par un renouvellement rapide des réactifs au niveau de la surface de la fibre. Un renouvellement rapide des réactifs à la surface de la fibre, qui s'accompagne d'une évacuation rapide des produits gazeux de la réaction de dépôt, par exemple l'acide chlorhydrique HCI dans le cas des réactifs BC13 et H2, est obtenu à la fois grâce au fait que la fibre défile à grande vitesse dans le réacteur 16, et grâce au renouvellement de la phase gazeuse assuré par l'écoulement des gaz entre l'entrée et la sortie du réacteur 16. Le dispositif 10 qui vient d'être décrit est un dispositif de fibrage classique, dans lequel on a ajouté un réacteur 15 de dépôt de la couche 4 de carbone, et un réacteur 16 de dépôt de la couche 5 de bore. Certains des éléments du dispositif 10 sont optionnels, comme les moyens 14 et 19 de contrôle de diamètre, ou le réacteur 15 lorsque l'on n'utilise pas de couche de carbone 4 sous-jacente à la couche de bore 5. En outre, les moyens de revêtement de résine peuvent être quelconques, et éventuellement, le revêtement de résine peut ne pas être réalisé en ligne. L'avantage supplémentaire procuré par l'utilisation d'une couche protectrice de bore au lieu d'une couche à base de céramiques polycristallines réside dans le fait que la couche de bore peut être déposée par voie chimique en phase vapeur, à une pression voisine de la pression atmosphérique, ce qui rend le dépôt aisé à effectuer en ligne après le fibrage, avec un réacteur ouvert pour permettre l'entrée et la sortie de la fibre. Bien évidemment, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. En particulier, les vaieurs numériques données pour les caractéristiques de la couche de bore et le procédé de dépôt de cette dernière ne le sont qu'à titre indicatif. Par ailleurs, on peut utiliser n'importe quel autre procédé de dépôt que le dépôt chimique en phase vapeur pour la couche de bore notamment, et par exemple un procédé de dépôt physique. D'autre part, une fibre optique selon l'invention peut comprendre, au-dessus de la couche de bore, d'autres revêtements en plus du revêtement de résine, comme notamment des revêtements colorés d'identification. Enfin, on pourra remplacer tout moyen par un moyen équivalent sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1/ Fibre optique comprenant un coeur optique (2) entouré d'une gaine optique (3), tous deux en un matériau à base de silice, une couche protectrice (5) étant déposée sur ladite gaine optique, caractérisée en ce que ladite couche protectrice (5) est constituée de bore essentiellement non cristallin, le volume occupé dans ladite couche protectrice (5) par des grains cristallisés étant d'au plus 1%. 21 Fibre optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite couche de bore (5) est déposée sur une couche de carbone non cristallin (4), elle-même déposée directement sur ladite gaine optique (3). 3/ Fibre selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que ladite couche de bore (5) a une épaisseur comprise entre 10 et 200 nm, et de préférence de l'ordre de 100 nm. 4/ Fibre optique selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que ladite couche de bore (5) est recouverte d'un revêtement de résine (6), d'épaisseur inférieure à 50 pm. 5/ Procédé de fabrication d'une fibre selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - fibrage d'une préforme comportant un coeur destiné à constituer après fibrage le coeur de la fibre optique, et une gaine optique entourant le coeur de la préforme, destinée à constituer après fibrage la gaine optique de la fibre optique, - une étape ultérieure au fibrage de dépôt sur ladite fibre optique de ladite couche protectrice de bore essentiellement non cristallin par voie chimique en phase vapeur à une pression voisine de la pression atmosphérique. 6/ Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le dépôt de ladite couche de bore est effectué à une distance à partir de la sortie des moyens de fibrage telle que la température de ladite fibre optique est voisine de 1100 C. 7/ Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6 caractérisé en ce que les réactifs utilisés pour obtenir le dépôt de ladite couche de bore sont le chlorure de bore BC13 et l'hydrogène H2. 8/ Procédé selon l'une des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que la vitesse d'écoulement des réactifs utilisés pour obtenir le dépôt de ladite couche de bore est faible par rapport à la vitesse de ladite fibre pendant l'étape de dépôt de ladite couche de bore, et en ce que le renouvellement desdits réactifs est rapide.