Brevet FR2780394A1 — publié le 19991231

4A 2780394 DISPOSITIF ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PREFORME DE FIBRE OPTIQUE PAR MCVD CONTEXTE DE L'INVENTION 1 Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une préforme de fibre optique par dépôt chimique en phase vapeur modifié ("modified chemical vapor deposition") (MCVD), et plus particulièrement, aussi bien à un dispositif et à un procédé de fabrication d'une préforme de fibre optique utilisant une paire de brûleurs, chacun adapté pour des processus de dépôt et d'affaissement. 2 Etat de la technique Dans la-fabrication d'une préforme de fibre optique par dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD), au fur et à mesure que l'épaisseur d'une couche de dépôt d'une préforme augmente, l'auto-affaissement d'un tube a lieu pendant le dépôt, de sorte que l'épaisseur du tube augmente encore. Ainsi, des brûleurs à flamme de type propagation sont typiquement utilisés pour des processus de dépôt généraux dû à leur efficacité pour le transfert thermique dans un tube et pour le dépôt dans celui-ci. Dû à une large zone chaude du brûleur à flamme de type propagation, le transfert thermique dans un tube est de bonne qualité et l'efficacité de dépôt est grande. De plus, une faible pression de flamme réduit tout rétrécissement indésirable pendant le dépôt. Cependant, les processus d'affaissement et d'obturation nécessitent une forte pression de flamme contrairement aux processus de dépôt. Cependant, dans le cas o le brûleur à flamme de type propagation est utilisé pour les processus d'affaissement et d'obturation, dû à une faible pression de flamme, une haute température de 2100 C ou plus pour un processus d'affaissement et 2200 C pour un processus d'obturation doivent être maintenues à une faible vitesse de déplacement du brûleur de façon à assouplir un tube. Par conséquent, les processus d'affaissement et d'obturation occupent une grande partie du temps de traitement total dans la fabrication d'une préforme, de sorte qu'ils empêchent la réduction du temps dé processus. Dans un procédé conventionnel, malgré différents mécanismes des processus de dépôt, d'affaissement et d'obturation, tous les processus sont effectués en utilisant seulement un brûleur à flamme de type propagation adapté pour le dépôt. Le fait d'utiliser le même brûleur à flamme de type propagation pour les processus de dépôt, d'affaissement et d'obturation ne pose aucun problème dans le cas o il s'agit d'une couche de dépôt mince et d'un petit tube. Cependant, au fur et à mesure que la couche de dépôt devient plus épaisse et la taille du tube augmente, la structure géométrique du tube est déformée et ses caractéristiques optiques soht détériorées, en plus du besoin d'un temps de processus long. RESUME DE L'INVENTION C'est un objet de la présente invention de fournir un dispositif de fabrication d'une préforme, en adoptant un brûleur à flamme de type concentration adapté pour les processus d'affaissement et d'obturation, en plus d'un brûleur à flamme de type propagation adapté pour un processus de dépôt. C'est un autre objet de la présente invention de fournir un procédé de fabrication d'une préforme utilisant le dispositif adoptant un brûleur à flamme de type concentration et un brûleur à flamme de type propagation. En conséquence, pour atteindre le premier objet de la présente invention, il est fourni un dispositif de fabrication d'une préforme de fibre optique par dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD), comprenant des moyens de chauffage pour chauffer un tube de substrat tournant pendant un déplacement dans une direction prédéterminée, dans lequel les moyens de chauffage comprennent: des premiers moyens de chauffage situés à l'avant par rapport à la direction de déplacement, pour chauffer le tube de substrat avec une pression de flamme relativement faible; et des deuxièmes moyens de chauffage situés à l'arrière des premiers moyens de chauffage par rapport à la direction de déplacement, pour chauffer le tube de substrat avec une pression de flamme relativement forte. De préférence, les premiers et deuxièmes moyens de chauffage ont une forme semicylindrique entourant la moitié de la circonférence du tube. De plus, le dispositif de fabrication d'une préforme de fibre optique peut en outre comprendre un réflecteur ayant une forme semicylindrique pour enfermer l'autre moitié de la circonférence du tube, le réflecteur faisant face aux premiers et deuxièmes moyens de chauffage semicylindriques pour réfléchir la chaleur produite par les premiers et deuxièmes moyens de chauffage en direction du tube de substrat. Pour atteindre le deuxième objet de la présente invention, il est fourni un procédé de fabrication d'une préforme de fibre optique par dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD), utilisant un dispositif comprenant des premiers moyens de chauffage ayant une pression de flamme relativement faible et des deuxièmes moyens de chauffage ayant une pression de flamme relativement forte, les premiers et deuxièmes moyens de chauffage pour chauffer un tube de substrat pendant un mouvement dans une direction prédéterminée, le procédé comprenant les étapes consistant à: (a) introduire un gaz source en même temps que de l'oxygène dans le tube de substrat, et chauffer le tube de substrat en utilisant les premiers moyens de chauffage pour déposer de la suie ("soot"), afin de déposer ainsi des couches de gaine et de coeur; et (b) affaisser le tube de substrat en chauffant le tube de substrat dans lequel les couches de gaine et de coeur ont été déposées, en utilisant les deuxièmes moyens de chauffage. De préférence, l'étape d'affaissement (b) comprend les sous-étapes consistant à: chauffer une région du tube de substrat déposé à affaisser, en utilisant les premiers moyens de chauffage, afin d'assouplir ainsi la région; et chauffer la région assouplie du tube de substrat déposé pour effectuer l'affaissement. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les objets et avantages ci-dessus de la présente invention ressortiront mieux en décrivant en détail des modes de réalisation préférés de celleci en se référant aux dessins ci-joints, o: la figure 1 est un schéma montrant un dispositif général adapté au dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD); les figures 2A à 2C sont des schémas représentant un procédé MCVD général; la figure 3 montre la structure des moyens de chauffage selon la présente invention; et les figures 4A à 4C sont des schémas représentant un procédé de fabrication d'une fibre optique par la technologie MCVD en utilisant les moyens de chauffage montrés sur la figure 3. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES En se référant à la figure 1, dans un dispositif général adapté à un processus de dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD), une étagère ("shelf") 1 supporte un tube de substrat 2 et un moyen de chauffage 4 chauffe une zone de chauffage 3 du tube de substrat 2. Le tube de substrat 2 tourne, par exemple dans la direction indiquée par une flèche 5a, et les moyens de chauffage 4 sont inversés dans la direction indiquée par une flèche 5b par un élément mobile, de sorte que la zone de chauffage 3 est décalée ("'shifted") suivant tout le tube de substrat 2 pendant que le tube de substrat tourne. Un gaz source est introduit par l'intermédiaire d'un tuyau d'approvisionnement 7 au tube de substrat 2, et le tuyau d'approvisionnement 7 est connecté à une partie de stockage de matière source 8. La partie de stockage de matière source 8 a une arrivée 9 pour l'oxygène. Des réservoirs de stockage 14 et 15 contiennent des matières réactionnelles 16 et 17 qui sont normalement liquides, et les matières réactionnelles 16 et 17 entrent dans le tube de substrat 2, transportées par des gaz supports entrés par l'intermédiaire des arrivées 10 et 11. De plus, la matière excitée est déchargée par l'intermédiaire d'un tuyau de sortie 18. Une soupape de mélange (non représentée) et une soupape de blocage (non représentée) mesurent le flux des gaz et effectuent d'autres ajustements nécessaires pour le mélange. Les figures 2A à 2C sont des schémas représentant un processus MCVD général. Dans le processus MCVD, un gaz source très pur, tel que SiCl4, GeCl4, POC13, BC13 ou CF4, est introduit dans le tube de substrat 21 fabriqué en verre, en même temps que l'oxygène, et le tube de substrat 21 est chauffé par les moyens de chauffage 23, aboutissant à une suie, un dépôt d'oxydation, à l'intérieur du tube de substrat 21 par oxydation thermique (voir la figure 2A). Ici, la concentration du gaz source est ajustée précisément sous le contrôle d'un système informatique pour commander un index de réfraction afin de déposer ainsi une couche de gaine et de coeur 22 à l'intérieur du tube de substrat 21 (voir figure 2B). Ensuite, le tube de substrat 21, sur lequel les couches de gaine et de coeur 22 ont été déposées, est chauffé par les moyens de chauffage 23, et affaissé pour former une préforme de fibre optique 25. La présente invention concerne un dispositif de fabrication d'une préforme de fibre optique par MCVD, et plus particulièrement, les moyens de chauffage 4 montrés sur la figure 1. Ainsi, la structure détaillée des moyens de chauffage 4 est montrée sur la figure 3. Sur la figure 3, le numéro de référence 32 représente un brûleur à flamme de type propagation ("propagation type burner"), le numéro de référence 33 représente un brûleur à flamme de type concentration ("concentration type burner"), le numéro de référence 34 représente un réflecteur, le numéro de référence 35 représente un tube de substrat, le numéro de référence 36 représente une couche déposée formée pendant le dépôt, et le numéro de référence 37 représente une préforme de fibre optique formée pendant l'affaissement. Les moyens de chauffage incluent deux brûleurs, l'un adapté pour le processus de dép6t et l'autre adapté pour le processus d'affaissement, c'est-à-dire le brûleur à flamme de type propagation 32 et le brûleur à flamme de type concentration 33. Ici, le brûleur à flamme de type propagation 32 est situé à l'avant par rapport à la direction de déplacement indiquée par une flèche 38, et chauffe le tube de substrat 35 avec une flamme de type propagation pour le dépôt, ayant une pression de flamme relativement faible. Entre-temps, le brûleur à flamme de type concentration 33 est situé à l'arrière du brûleur à flamme de type propagation 32 par rapport à la direction de déplacement indiquée par la flèche 38, et chauffe le tube de substrat 35 avec une flamme de type concentration pour les processus d'affaissement et d'obturation, ayant une pression de flamme relativement forte. Comme le montre la figure 3, le brûleur à flamme de type propagation 32 et le brûleur à flamme de type concentration 33 sont situés dans l'ordre dans la direction indiquée par la flèche 38 et peuvent avoir une forme semicylindrique entourant partiellement le tube de substrat 35. Ici. le rayon des moyens de chauffage ayant une forme semicylindrique dépend de la taille du tube et de l'emplacement du foyer de la flamme. De plus, les moyens de chauffage selon la présente invention peuvent en outre inclure un réflecteur de silice 34 ("silica reflector"). C'est-à-dire, le réflecteur 34 a une forme semicylindrique entourant la moitié restante du tube de substrat 35 qui n'est pas enfermée par les brûleurs 32 et 33, et réfléchit la chaleur générée par le brûleur à flamme de type propagation 32 et le brûleur à flamme de type concentration 35 en direction du tube de substrat 35. En faisant ceci, le gradient de température du tube de substrat 35 autour de la circonférence de celui-ci peut être minimisé. De plus, la surface du réflecteur 34, faisant face au tube de substrat 35, est polie comme un miroir, et la surface opposée de celui-ci est rendue semitransparente. Les figures 4A à 4C représentent un procédé de fabrication d'une préforme de fibre optique par MCVD utilisant les moyens de chauffage montrés sur la figure 3. Dans ce procédé, les deux brûleurs ayant différentes caractéristiques sont utilisés séparément ou ensemble. Pendant le dépôt, comme montré sur la figure 4A, un gaz source est introduit dans le tube de substrat 41 en même temps que l'oxygène, et le tube de substrat 31 est chauffé par le brûleur à flamme de type propagation 43 ayant une pression de flamme relativement faible pour déclencher une oxydation thermique. Ici, de la suie déposée à l'intérieur du tube de substrat 41 par oxydation thermique aboutit à une couche de gaine et de coeur 42. La figure 4B montre la couche de gaine et de coeur 42 déposée à l'intérieur du tube de substrat 41. Ensuite, pendant l'affaissement (voir figure 4C), le tube de substrat 41, sur lequel les couches de gaine et de coeur 42 ont été déposées, est chauffé par un brûleur à flamme de type concentration 47 ayant une pression de flamme relativement forte pour affaisser le tube de substrat 41, ce qui aboutit à une préforme de fibre optique 45. Dans le processus d'affaissement, la partie du tube de substrat 41 sur laquelle la couche de gaine et de coeur 42 a été déposée doit être assouplie par le brûleur à flamme de type propagation 43 qui se déplace dans la direction indiquée par une flèche, avant d'être affaissée par le brûleur à flamme de type concentration 47. Ainsi, la température de processus peut être réduite et la durée de l'affaissement et de l'obturation du tube est raccourcie en utilisant le brûleur à flamme de type concentration 47 ayant une pression de flamme relativement forte de façon à affaisser le tube de substrat 41 après l'assouplissement du tube de substrat 41 en utilisant le brûleur à flamme de type propagation 43. De plus, le fait d'utiliser le réflecteur 34 améliore l'uniformité de la température de surface autour de toute la circonférence du tube de substrat 41. En conséquence, la perfection de la géométrie du tube peut être améliorée, réduisant les effets de la dispersion en mode polarisation (PMD) ("polarization mode dispersion"). De plus, dû à la température abaissée pour le processus d'affaissement et la durée raccourcie du processus d'affaissement, la perte due à la diffusion d'OH peut être réduite. L'effet d'un brûleur conventionnel qui a une température de flamme élevée et se déplace à une faible vitesse, et celui d'un brûleur double selon la présente invention, dans les processus d'affaissement et d'obturation de tube, seront maintenant expliqués de façon comparative. Premièrement, quand une petite quantité d'humidité (H20) (en général, environ plusieurs parties par million (ppm)) contenue dans le tube de substrat se diffuse dans une couche de dépôt pendant les processus d'affaissement et d'obturation du tube, l'humidité diffusée se combine avec du P25Os ou SiO2 dans la région de gaine de la couche de dépôt pour former des liaisons P-O-H ou Si-O-H. De plus, des groupes hydroxyliques (-OH) diffusés jusqu'à la région de coeur de la couche de dépôt se combinent avec du SiO2 ou GeO2, de sorte que des liaisons Si-O ou Ge-O sont rompues et des liaisons Si-O-H ou Ge-O-H sont formées. Les liaisons O-H ou P-O-H formées par liaison avec l'humidité dans chaque région de la couche de dépôt provoquent une augmentation supplémentaire de la perte par une bande d'absorption à une longueur d'onde spécifique. Dans une fibre optique monomode, les longueurs d'onde critiques qui affectent la perte sont 1,24 et 1,385 pm pour les liaisons O-H, et 1,2-1,8 pm pour les liaisons P-O-H. De plus, l'OH diffusé dans la région de coeur forme un oxygène sans pontage (NBO), de sorte que l'homogénéité de la structure de verre de la région de coeur est détériorée localement. En conséquence, une fluctuation de densité survient dans la région de coeur, augmentant ainsi la perte par dispersion. Cependant, dans le procédé de fabrication d'une préforme de fibre optique selon la présente invention, la température et la durée du processus d'affaissement peuvent être réduites en utilisant un brûleur à flamme de type concentration ayant une pression de flamme forte après l'assouplissement du tube en utilisant un brûleur à flamme de type propagation, de sorte que la perte par la liaison O-H peut être nettement diminuée, en comparaison avec le cas consistant à utiliser seulement lZ un brûleur à flamme de type propagation comme dans un procédé conventionnel. Deuxièmement, dans les processus d'affaissement et d'obturation conventionnels, il est plus probable que le gradient de température suivant la circonférence du tube sera prononcé quand un brûleur chauffe le fond d'un tube tournant à une température élevée. Dû à un tel gradient de température, la viscosité du tube de substrat devient irrégulière et la tension superficielle à l'intérieur du tube devient déséquilibrée. Par conséquent, le tube de substrat est déformé, augmentant l'ovalisation du tube ("tube ovality"). Au fur et à mesure que l'affaissement progresse, l'ovalisation du tube augmente, et une telle augmentation de l'ovalisation du tube augmente la PMD. Cependant, dans le procédé de fabrication d'une préforme de fibre optique selon la présente invention, la chaleur produite par le brûleur peut être réfléchie en direction du tube en utilisant un réflecteur, de sorte que la température suivant toute la circonférence du tube est substantiellement uniforme, afin de réduire ainsi l'effet dû à la PMD. Comme décrit ci-dessus, dans le dispositif de fabrication d'une préforme par MCVD et son procédé selon la présente invention, un brûleur à flamme de type propagation et un brûleur à flamme de type concentration sont utilisés sélectivement pour chauffer un tube de substrat pour les processus de dépôt et d'affaissement, ainsi il existe un avantage en ce que la durée et la température du processus d'affaissement peuvent être réduites. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la fabrication d'une préforme de fibre optique par dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD), comprenant des moyens de chauffage pour chauffer un tube de substrat tournant pendant un déplacement dans une direction prédéterminée, dans lequel les moyens de chauffage comprennent: des premiers moyens de chauffage situés à l'avant par rapport à la direction de déplacement, pour chauffer le tube de substrat avec une pression de flamme relativement faible; et des deuxièmes moyens de chauffage situés à l'arrière des premiers moyens de chauffage par rapport à la direction de déplacement, pour chauffer le tube de substrat avec une pression de flamme relativement forte. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les premiers et deuxièmes moyens de chauffage sont situés dans l'ordre dans la direction de déplacement. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les premiers et deuxièmes moyens de chauffage ont une forme semicylindrique entourant la moitié de la circonférence du tube. 4. Dispositif selon la revendication 3, comprenant en outre un réflecteur ayant une forme semicylindrique pour enfermer l'autre moitié de la circonférence du tube, le réflecteur faisant face aux premiers et deuxièmes moyens de chauffage semicylindriques pour réfléchir la chaleur produite par les premiers et deuxièmes moyens de chauffage en direction du tube de substrat. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la surface du réflecteur est polie comme un miroir, et l'autre surface du réflecteur est semitransparente. 6. Procédé de fabrication d'une préforme de fibre optique par dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD), utilisant un dispositif comprenant des premiers moyens de chauffage ayant une pression de flamme relativement faible et des deuxièmes moyens de chauffage ayant une pression de flamme relativement forte, les premiers et deuxièmes moyens de chauffage pour chauffer un tube de substrat pendant un mouvement dans une direction prédéterminée, le procédé comprenant les étapes consistant à: (a) introduire un gaz source en même temps que l'oxygène dans le tube de substrat, et chauffer le tube de substrat en utilisant les premiers moyens de chauffage pour déposer de la suie, afin de déposer ainsi des couches de gaine et de coeur; et (b) affaisser le tube de substrat en chauffant le tube de substrat dans lequel les couches de gaine et de coeur ont été déposées, en utilisant les deuxièmes moyens de chauffage. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'étape d'affaissement (b) comprend les sous-étapes consistant à: (bl) chauffer une région du tube de substrat déposé à affaisser, en utilisant les premiers moyens de chauffage, afin d'assouplir ainsi la région; et (b2) chauffer la région assouplie du tube de substrat déposé pour effectuer l'affaissement.