Brevet FR2758549A1 — publié le 19980724

Arrière plan de l'invention 1. Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de fa- brication d'une préforme de fibres optiques et, plus particu- lièrement, un procédé utilisant du gaz naturel au lieu d'hydrogène comme source de chaleur du brûleur pour chauffer un tube de quartz dans le but d'améliorer la maniabilité sans danger d'explosions éventuelles. 2. Description de la technique concernée Parmi toutes les sortes de fibres optiques, la plus largement utilisée est une fibre optique à base de quartz comprenant du quartz (dioxyde de silicium) comme com- posant principal et, sélectivement, de l'oxyde phosphoreux ou de l'oxyde de germanium devant servir à régler l'indice de15 réfraction. Les procédés de fabrication d'une préforme de fi- bres optiques à base de quartz comme indiqué ci-dessus, se classent en trois catégories: DVCM (Dépôt de Vapeur Chimique Modifié), DAPV (Dépôt Axial en Phase Vapeur) et DVE Dépôt de Vapeur Extérieur). Le procédé le plus largement utilisé dans la fabrication d'une préforme de fibres optiques à base de quartz de haute qualité, est le procédé DVCM qui met en oeu- vre la réaction de produits chimiques contenus dans le tube de quartz chauffé extérieurement, pour produire des granules de verre et pour les déposer simultanément sur la surface in- térieure du tube de quartz. On donnera ci-après une description détaillée du procédé DVCM en se référant à la figure 1. Le tube de quartz 10 est fixé par ses deux extré- mités qui s'engagent dans des mandrins de fixation 52 placés des deux côtés d'une tablette de verre 50. Pendant qu'on le fait tourner au- dessus de la tablette de verre 50, le tube de quartz 10 est alimenté par un matériau sous forme gazeuse 12 comprenant SICl4, GeCl4 et des produits chimiques d'addition en quantité adéquate, entraînés par le courant d'oxygène pro- venant du système d'alimentation de gaz 56. Le tube 10 est ensuite chauffé extérieurement par un brûleur 20 en utilisant de l'hydrogène et de l'oxygène comme source de chaleur, pour former ainsi la zone chaude 14 qui constitue la partie la plus chaude du tube 10. Le matériau sous forme gazeuse 12 passant à travers la zone chaude 14 est granulé par les réac- tions s'exprimant par les équations: SiCl4 + 02 >SiO2+ 2C12, et GeCl4 + 02 >GeO2 + 2C12. Les granules produites s'écoulent dans le tube de quartz 10 et collent à la partie avant la moins chaude de la surface intérieure du tube de quartz 10, par thermophorèse. Si le brûleur 20 est déplacé à une vitesse adéquate dans le sens de l'écoulement du matériau sous forme gazeuse 12, les granules sont formées et adhèrent à la surface intérieure du tube de quartz 10, le long du mouvement du brûleur 20. Les granules ayant adhéré sont soumis à un frittage ayant pour conséquence la formation de verre sur la surface intérieure du tube de quartz 10 le long de la trace du brûleur mobile 20. Le processus ci-dessus est décrit plus en détail ci-après. Une couche de revêtement 16 destinée à la protec- tion contre des substances de contamination est tout d'abord formée sous une épaisseur adéquate sur la surface intérieure du tube de quartz 10, au moyen des réactions indiquées ci- dessus. Une couche de noyau 18 à travers laquelle la lumière se propage directement, est formée par l'introduction du ma- tériau sous forme gazeuse 12 ayant une seconde composition, dans le tube de quartz 10. Le tube de quartz 10 est soumis à une étape de déformation par affaissement en le chauffant ex- térieurement au-dessus de 2300 C, puis ensuite à une étape de fermeture pour transformer ce tube de quartz 10 en une barre pleine qui termine finalement la préforme de fibres optiques. Dans le procédé DVCM, le brûleur est alimenté par de l'hydrogène et de l'oxygène servant de source de chaleur pour chauffer le tube de quartz. A ce stade, la réaction en- tre l'hydrogène et l'oxygène donne de l'eau qui produit une corrosion dans les équipements associés au brûleur, en rédui- sant ainsi leur durée de vie et en augmentant également la teneur en ions hydroxyde (OH-) dans la surface du tube de quartz, ce qui a pour conséquence d'augmenter les pertes de transmission de la fibre optique. De plus, l'hydrogène utili- sé comme source de chaleur pour le brûleur est tellement chère qu'il augmente le coût de production, et cet hydrogène est également difficile à manipuler du fait du danger d'ex- plosions possibles. Résumé de l'invention La présente invention a pour objet de créer un procédé de fabrication d'une préforme de fibres optiques qui évite la formation d'eau (H20) pendant le chauffage du tube de quartz, en utilisant un gaz naturel comme source de cha- l0 leur du brûleur. Un autre objet de la présente invention est de créer un procédé de fabrication d'une préforme de fibres op- tiques qui permette de minimiser la formation d'ions hy- droxyde (OH-) dans la surface du tube de quartz. Un autre objet encore de la présente invention est de créer un procédé de fabrication d'une préforme de fi- bres optiques qui réduise le coût de production en utilisant un gaz naturel comme source de chaleur du brûleur. Un autre objet encore de la présente invention est d'utiliser un gaz naturel qui évite un risque d'explo- sions éventuelles, et qui soit facile à manipuler. Dans le procédé de fabrication d'une préforme de fibres optiques selon la présente invention, la source de chaleur utilisée par le brûleur pour chauffer et condenser un tube de quartz afin de fabriquer la préforme, est un gaz na- turel de manière à minimiser la teneur en hydroxyde sur la surface du tube de quartz. A cet effet, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'une préforme de fibres optiques, ca- ractérisé en ce qu'il comprend le chauffage et la condensa- tion d'un tube de quartz pour former la préforme, au moyen d'un brûleur utilisant un gaz naturel comme source de cha- leur, de manière à minimiser la teneur en hydroxyde sur la surface du tube de quartz. Suivant d'autres caractéristiques de l'inven- tion: - le gaz naturel est du gaz naturel liquéfié ou du gaz de pé- trole liquéfié, dans le but d'augmenter le rendement de dé- pôt et de condensation avec une petite quantité de flux, - le gaz naturel est du méthane ou du propane, pour augmenter le rendement de dépôt et de condensation avec une petite quantité de flux. Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'une préforme de fibres optiques, mis en oeuvre par le dépôt de vapeur chimique modifié, carac- térisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: (1) fixer à des mandrins de fixation un tube de quartz desti- né à former la préforme, (2) amener dans le tube de quartz un matériau gazeux prove- nant d'un système d'alimentation de matériau gazeux, (3) fournir de l'oxygène et du gaz naturel comme source de chaleur à un brûleur, sous la commande d'une *section de contrôle de flux gazeux, (4) chauffer le tube de quartz tournant au moyen du brûleur se déplaçant dans la direction transversale, (5) former une couche transparente frittée et une incrusta- tion de particules sur la surface intérieure du tube de quartz, en passant par l'étape (4), (6) répéter l'étape (5) pour former une couche de revêtement et une couche de noyau sur la surface intérieure du tube de quartz, et (7) ramollir le produit obtenu à l'étape (6) en le chauffant à une température élevée au moyen du brûleur, et conden- ser l'espace intérieur du tube de quartz. Suivant d'autres caractéristiques encore de l'in- vention: - le gaz naturel est du gaz de pétrole liquéfié ou du méthane ou encore du propane, dans le but d'augmenter le rendement de dépôt et de condensation avec une petite quantité de flux, - le brûleur est alimenté par le gaz naturel provenant de la section de contrôle de flux de gaz, à un débit de 60- 1/min, pour chauffer la surface du tube de quartz à 1900 C, - la section de contrôle de flux de gaz fournit au brûleur de l'oxygène en quantité suffisante pour faire brûler complè- tement le gaz naturel dans l'étape, - la section de contrôle de flux de gaz fournit au brûleur le gaz naturel à un débit de 100 1/min à l'étape, le brûleur se trouvant dans la plage de températures de 2250 à 2350 C est déplacé à une vitesse de 8 cm/min, 4 cm/min ou 1,5 cm/min, pour chauffer et condenser le tube de quartz, - le brûleur est entraîné à 30 tours/min et 0,8 cm/min, en chauffant le tube de quartz pour fermer de manière complè- tement étanche l'espace intérieur du tube de quartz. Brève description des dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation re- présentés sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique illustrant un processus de fabrication d'une préforme de fibres optiques au moyen du procédé DVCM habituellement utilisé; et - la figure 2 est une vue schématique illustrant un processus de fabrication et de déformation par affaisse- ment pour obtenir une préforme de fibres optiques, en utili- sant du gaz naturel comme source de chaleur dans la fabrication de la préforme par le procédé DVCM, selon un mode de réalisation préférentiel de la présente invention. Description détaillée du mode de réalisation préférentiel La figure 2 est une vue schématique illustrant un processus de dépôt et de condensation de la préforme de fi- bres optiques en utilisant du gaz naturel comme source de chaleur pour la fabrication de la préforme par le procédé DVCM. Comme représenté à la figure 1, le tube de quartz est fixé par ses deux extrémités qui s'engagent dans des mandrins de fixation 52 montés des deux côtés d'une tablette de verre 50. Pendant qu'on le fait tourner au-dessus de la tablette de verre 50 à une vitesse de 50 tours/minute, le tube de quartz 10 est alimenté par un matériau sous forme ga- zeuse 12 (figure 2) comprenant SiCl4, GeCl4 ou POCl3, et des produits chimiques d'addition tels que par exemple du fréon, en quantité adéquate, qui sont entraînés par le courant d'oxygène provenant du système d'alimentation de gaz 56 (figure 1). La section de contrôle de flux gazeux 26b (figure 2), sous la commande de la section d'ordinateur de commande 28, fournit au brûleur 20 du gaz naturel 24 à un débit de 60 à 70 1/min, pour élever ainsi la température de surface du tube de quartz 10 à environ 1900 C, tandis que la section de contrôle de flux gazeux 26a fournit au brûleur 20 de l'oxy- gène en quantité suffisante pour faire brûler complètement le gaz naturel 24 fourni au brûleur 20. Le gaz naturel 24 utili- sé est de préférence choisi dans le groupe comprenant le gaz naturel liquéfié (GNL), le gaz de pétrole liquéfié (GPL), ainsi que le méthane et le propage gazeux, pour améliorer le rendement de dépôt et de condensation dans le tube de quartz 10. Le brûleur 20 est entraîné dans la direction transversale à une vitesse adéquate, pour chauffer la surface extérieure du tube de quartz 10 et pour former une zone chaude 14 qui est la partie la plus chaude du tube 10. Le ma- tériau sous forme gazeuse 12 passant à travers la zone chaude 14 est granulé en granules qui adhèrent à la surface inté- rieure du tube de quartz 10 le long du mouvement du brûleur 20. Sur la surface intérieure du tube de quartz 10 est for- mée, sous une épaisseur adéquate, une couche de revêtement 16 destinée à la protection contre des substances de contamina- tion, puis on forme ensuite une couche de noyau 18 à travers laquelle la lumière se propage directement, par l'introduc- tion du matériau sous forme gazeuse 12 ayant une seconde com- position, dans le tube de quartz 10. Après le dépôt, la section de contrôle de flux gazeux 26b fournit au brûleur 20 le gaz naturel 24 à un débit d'environ 100 1/min, tandis que le système d'alimentation de gaz 56 représenté à la figure 1 fournit Cl2 et 02 au tube de quartz 10. Le brûleur 20 se trouvant dans la plage de tempé- ratures de 2250 à 2350 C est déplacé dans la direction trans- versale du tube de quartz 10 à une vitesse de 8 cm/min de façon que du verre se dépose pour donner au tube de quartz 10 un diamètre se situant dans la plage d'environ 2 à 3 mm. A ce stade, la pression intérieure du tube de quartz 10 est main- 5 tenue à la pression 1,1 ATM (1,1 x 1,03 x 15 Pa) Le brûleur peut être déplacé à une vitesse de 4 cm/min ou 1,5 cm/min, pour condenser le tube de quartz 10 suivant la composition du matériau gazeux 12 pénétrant dans ce tube de quartz 10. Après avoir chauffé une extrémité du tube de quartz 10 pendant une période de temps relativement longue pour obtenir une étanchéité complète, on déforme complètement 1 le tube de quartz 10 par affaissement en faisant tourner ce tube de quartz 10 à une vitesse de 30 tours/min, tandis que le brûleur 20 se déplace progressivement à une vitesse de 0,8 cm/min. On obtient ainsi une préforme de fibres optiques de haute qualité. Le composant résiduel de carbone ou de sou- fre sur la surface de la préforme est ensuite complètement retiré par attaque à l'acide fluorhydrique. De façon avantageuse, la section de contrôle de flux de gaz fournit au brûleur le gaz naturel à un débit de 1/min à l'étape. 2{0 Comme décrit ci-dessus, le procédé de fabrication d'une préforme de fibres optiques selon le mode de réalisa- tion préférentiel de la présente invention, permet de réduire les coûts de gaz à environ le cinquième des coûts antérieurs en utilisant du gaz naturel au lieu d'hydrogène comme source de chaleur pour le brûleur, ce qui réduit étonnamment le coût de production de la préforme ainsi que le temps de fabrica- tion. L'utilisation de gaz naturel fournit également un envi- ronnement de travail confortable facilitant la maniabilité et ne conduisant ni aux bruits d'explosions qui se produisent 3s pendant l'allumage d'un brûleur à oxygène/hydrogène conven- tionnel, ni à une production d'eau, de sorte que la teneur en hydroxyde (OH-) devient minimale, en diminuant ainsi les per- tes de transmission des fibres optiques. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Procédé de fabrication d'une préforme de fibres optiques, caractérisé en ce qu' il comprend le chauffage et la condensation d'un tube de quartz (10) pour former la préforme, au moyen d'un brûleur (20) utilisant un gaz naturel comme source de chaleur, de ma- nière à minimiser la teneur en hydroxyde sur la surface du tube de quartz (10). 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz naturel est du gaz naturel liquéfié ou du gaz de pé- trole liquéfié, dans le but d'augmenter le rendement de dépôt et de condensation avec une petite quantité de flux. 3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz naturel est du méthane ou du propane, pour augmenter le rendement de dépôt et de condensation avec une petite quantité de flux. ) Procédé de fabrication d'une préforme de fibres optiques, mis en oeuvre par le dépôt de vapeur chimique modifié, caractérisé en ce qu' il comprend les étapes consistant à: (1) fixer à des mandrins de fixation (52) un tube de quartz (10) destiné à former la préforme, (2) amener dans le tube de quartz (10) un matériau gazeux (12) provenant d'un système d'alimentation de matériau gazeux (56), (3) fournir de l'oxygène (22) et du gaz naturel (24) comme source de chaleur à un brûleur (20), sous la commande d'une section de contrôle de flux gazeux (28), (4) chauffer le tube de quartz tournant (10) au moyen du brû- leur (20) se déplaçant dans la direction transversale, (5) former une couche transparente frittée et une incrusta- tion de particules sur la surface intérieure du tube de quartz, en passant par l'étape (4), (6) répéter l'étape (5) pour former une couche de revêtement (16) et une couche de noyau (18) sur la surface inté- rieure du tube de quartz (10), et (7) ramollir le produit obtenu à l'étape (6) en le chauffant à une température élevée au moyen du brûleur (20), et condenser l'espace intérieur du tube de quartz (10). ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le gaz naturel est du gaz de pétrole liquéfié ou du méthane ou encore du propane, dans le but d'augmenter le rendement de dépôt et de condensation avec une petite quantité de flux. 6 ) Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le brûleur (20) est alimenté par le gaz naturel provenant de la section de contrôle de flux de gaz (28), à un débit de 60- 1/min, pour chauffer la surface du tube de quartz à 19000 C. 7 ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section de contrôle de flux de gaz (28) fournit au brûleur (20) de l'oxygène en quantité suffisante pour faire brûler complètement le gaz naturel dans l'étape (3). 8 ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section de contrôle de flux de gaz (28) fournit au brûleur (20) le gaz naturel à un débit de 100 1/min à l'étape (7). 9 ) Procédé selon la revendication 4 ou 8, caractérisé en ce que le brûleur (20) se trouvant dans la plage de températures de 2250 à 2350 C est déplacé à une vitesse de 8 cm/min, 4 cm/min ou 1,5 cm/min, pour chauffer et condenser le tube de quartz (10). ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le brûleur (20) est entraîné à 30 tours/min et 0,8 cm/min, en chauffant le tube de quartz (10) pour fermer de manière com- plètement étanche l'espace intérieur du tube de quartz (10).