Brevet FR2847679A1 — publié le 20040528

PREFORME DE FIBRE OPTIQUE EN MATIERE PLASTIQUE Cette invention a trait à une préforme de fibre optique en matière plastique (POF) ayant des propriétés de transfert thermique supérieures. Les fibres optiques en matière plastique (POF) qui comprennent à la fois un coeur et un gainage de matière plastique, à savoir de polymères, peuvent être combinées ou non avec d'autres matières, ont vu leur utilisation augmenter pour les lignes de transmission de signaux de faible portée. D'une façon générale, de telles fibres sont considérablement moins coteuses que la fibre optique typique en verre. Toutefois, elles présentent des pertes plus élevées que cette dernière, par conséquent l'utilisation est limitée aux courtes distances, telles que dans un réseau local (LAN) et le réseau numérique à intégration de services (RNIS) o elles se sont avérées être assez utiles. En général, une telle POF peut comprendre un coeur, par exemple d'un polymère optique à base de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) et un gainage polymère pour celui-ci. En général, une fibre optique en matière plastique est enchâssée dans une couche d'enveloppe pour protéger la fibre enfermée. Dans de nombreux types de POF, on applique la couche d'enveloppe après avoir étiré la fibre à partir de la préforme. Cette couche d'enveloppe peut être pelable ou non. Une enveloppe pelable comprend typiquement une matière ayant une très faible adhérence à la matière de gainage, et on l'arrache au niveau d'une extrémité de fibre pendant la fixation du connecteur. Une enveloppe non pelable comprend typiquement une matière ayant une très forte adhérence à la matière de gainage, et on applique typiquement les connecteurs par-dessus une telle enveloppe. Dans ce dernier cas, la matière d'enveloppe est souvent chimiquement très similaire à la matière de gainage, et elle peut même être chimiquement identique. Contrairement à la fibre optique à base de silice (verre), dans laquelle on étire la fibre à partir d'une préforme dans un four d'étirage, o le transfert thermique est réalisé principalement par rayonnement, le plus souvent on étire la POF à partir d'un four résistif dans lequel le transfert thermique se produit surtout par conduction, principalement du fait que des températures beaucoup plus faibles (2000 à 300'C) sont impliquées. A de telles températures, le rayonnement du corps noir à partir d'un four résistif électrique typique, se produit principalement à des longueurs d'onde au milieu de l'infrarouge de 10 micromètres (dtm) ou plus, qui représente malheureusement une région o l'absorption optique des polymères est extrêmement forte. Dans une telle situation, le transfert thermique dans la région centrale de la préforme est très lent, et il s'accompagne de gradients de température inacceptables à travers la préforme. Cette limitation sur le transfert thermique limite finalement la vitesse maximale d'étirage ainsi que la taille de la préforme que l'on peut employer dans la production des POF, aboutissant ainsi à des cots de production élevés, et réduisant l'avantage des POF par rapport à la fibre de verre. On a amélioré le processus de transfert thermique dans la technique antérieure en employant des fours à lampes infrarouge, que l'on a construit typiquement à partir de matrices de lampes à halogène. De telles lampes possèdent habituellement des filaments qui fonctionnent à des températures s'approchant de 2 500K et ainsi elles émettent un rayonnement à des longueurs d'onde qui sont principalement dans la plage de 1 à 2 micromètres (1 à 2 kum). Dans cette plage de longueurs d'onde, les polymères optiques typiques tels que ceux que l'on utilise dans les POF, tels que le poly(méthacrylate de méthyle) sont considérablement plus transparents qu'aux longueurs d'onde plus grandes. En conséquence, le rayonnement incident provenant des lampes peut pénétrer plus loin dans la préforme, avec un transfert thermique conséquent plus uniforme et plus rapide. Malgré cette amélioration prononcée, même dans la bande de 1 à 2 jum, les polymères optiques tels que le PMMA, absorbent une grande fraction du rayonnement incident avec une épaisseur de quinze à vingt millimètres (15 à 20 mm). Ainsi, même avec un chauffage par lampe infrarouge, les processus de transfert thermique mettent encore des limitations importantes sur le diamètre de la préforme et la vitesse d'étirage. La présente invention dans plusieurs formes de réalisation de celle-ci, fait intervenir l'utilisation de polymères perfluorés ou partiellement fluorés pour produire un chauffage plus efficace d'une préforme. Les polymères fluorés possèdent une absorption optique beaucoup plus faible dans la bande de 1 à 2 Pm, que les polymères protonés, en raison des fréquences de résonance plus faibles des bandes carbone-fluor, par rapport à celles des bandes carbone-hydrogène dans les polymères protonés. Ainsi, on régule le transfert thermique partant des lampes à infrarouge du four en direction de la préforme polymère, en maîtrisant le degré de fluoration des polymères en divers emplacements dans les préformes. Par exemple, dans la bande de 1 à 2 Mm, l'absorption optique est inversement proportionnelle au degré de fluoration du polymère. Un avantage particulier ainsi procuré est que l'introduction de matière fluorée dans la préforme permet d'utiliser des longueurs d'onde infrarouges plus grandes pour obtenir la profondeur de pénétration souhaitée de la chaleur. Dans la mesure o des longueurs d'onde plus grandes sont produites par des sources ayant une température de filament plus froide, on aboutit à un fonctionnement similaire de la source et à des durées de vie de composant plus longues. Dans une première forme préférée de réalisation de l'invention, la préforme comprend à la fois un coeur et un gainage de polymères perfluorés. En outre, la préforme, avant le processus d'étirage inclut une enveloppe ou des enveloppes ajoutées pour la résistance mécanique, qui sont également en polymère perfluoré. Ainsi la préforme entière, incluant l'enveloppe ou les enveloppes, comprend des polymères perfluorés. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, la préforme entière, incluant le coeur optique, le gainage optique et les couches d'enveloppe ou de renforcement, comprennent des matières polymères partiellement fluorées. Dans cette forme de réalisation, dans des couches optiques, on détermine le degré de fluoration par les spécifications de transparence optique pour la fibre (POF). La transparence optique d'un polymère amorphe augmente avec une augmentation du degré de fluoration. Dans la couche mécanique (enveloppe), on détermine principalement le degré de fluoration nécessaire par la condition que le rayonnement provenant du four pénètre essentiellement à travers toute la préforme. Dans encore une autre forme de réalisation de l'invention, le coeur optique et la gaine optique de la préforme, comprennent des polymères perfluorés, en raison des propriétés optiques généralement supérieures de ces polymères, et la couche de renforcement mécanique (enveloppe ou enveloppes) comprend des polymères partiellement fluorés d'un degré de fluoration suffisant pour assurer que le rayonnement provenant du four pénètre essentiellement à travers toute la préforme. Dans toutes les formes de réalisation de l'invention, on choisit les compositions des couches polymères afin d'optimaliser la simplicité et la fiabilité de la source optique. En outre, les formes de réalisation sont toutes des préformes auxquelles on a ajouté des enveloppes mécaniques ou de renfort avant l'étirage de la fibre, éliminant ainsi l'étape ou les étapes consistant à ajouter les couches de renfort ou les couches mécaniques à la fibre après qu'on la étirée. Ces caractéristiques de la présente invention ainsi que d'autres et les principes qui interviennent, deviendront plus facilement évidents d'après la description détaillée suivante, lue conjointement avec les dessins. - La figure 1 est une vue schématique de l'appareil pour étirer de la POF à partir d'une préforme; et - La figure 2 est une vue en coupe et en élévation de la préforme de l'invention. A la figure 1, on illustre, schématiquement, un four d'étirage 11 de la technique antérieure, pour étirer une fibre optique 12 de matière plastique à partir d'une préforme 13. Le four Il comprend un logement 14 contenant, par exemple, une ou plusieurs lampes à halogène 16 fonctionnant tel que décrit dans la présente ci-dessus, à des températures de filament au voisinage de 2 500'K et émettant un rayonnement dans la plage des 1 à 2 micromètres (1 à 2 Mm), à laquelle les polymères de la préforme sont plus transparents qu'aux longueurs d'onde plus grandes. Après étirage de la fibre 12, qui comprend un coeur et une structure de gainage, on la revêt d'une enveloppe ou d'une gaine (non désignées à la figure 1) de sorte à protéger le corps principal de la fibre de matière plastique 12 qui est la portion qui transmet le signal, en la faisant passer à travers un dispositif de revêtement 17. L'appareil 17 peut prendre l'une quelconque d'un certain nombre de formes, telles qu'un appareil de revêtement par extrusion à l'aide d'une filière, ou un autre appareil approprié, ce qui s'ajoute à la fois à la durée de production, à la complexité ou au cot. D'habitude dans la technique antérieure, on a choisi la matière protectrice dans le cas d'une enveloppe non pelable, afin qu'elle corresponde en ce qui concerne la température de transition vitreuse et/ou les propriétés de dilatation thermique des couches optiquement fonctionnelles de la fibre, minimisant ainsi l'atténuation extrinsèque provoquée par la microflexion de la fibre. Dans le cas d'une enveloppe pelable, on choisit typiquement la matière d'enveloppe pour sa bonne résistance thermique et sa bonne résistance aux agents climatiques. Après la pose d'une enveloppe, on embobine ensuite la fibre 17 par exemple sur un tambour 18. Il doit être sous-entendu que la figure 1 est simplement un schéma et l'appareil indiqué n'est pas censé être la version définitive de toute disposition ou appareil particulier. Tel qu'on l'a indiqué dans la présente ci-dessus, malgré les améliorations du transfert thermique réalisées en utilisant le rayonnement infrarouge, même dans la bande de 1 à 2 pm, les polymères optiques tels que le PMMA absorbent une large fraction du rayonnement incident dans une épaisseur de 15 à 20 mm. Par conséquent, le processus d'étirage est nécessairement ralenti afin de permettre à la chaleur transférée de pénétrer au centre de la préforme. Selon les études de la technique antérieure sur le transfert thermique dans des fours à infrarouge vers des préformes en PMMA, le spectre de PMMA est tel que dans la bande de 1 à 2 pm, environ cinquante pour cent (50 %) du rayonnement incident est absorbé dans les 15 mm de la surface de préforme, en supposant une intensité spectrale uniforme. Par conséquent, lorsque les diamètres de préforme dépassent 45 à 60 mm, il se produit des variations de température significatives entre la surface externe et le centre de la préforme. A la figure 2, on y présente en coupe, la préforme 21 de la présente invention, qui comprend un coeur 22, une couche de gainage 23 et une enveloppe ou gaine externe 24. Lorsqu'on inclut l'enveloppe 24 en tant que partie de la préforme, elle participe dans le processus d'étirage et la production du four 11 est une fibre à enveloppe 12, rendant ainsi inutile l'appareil 17 indiqué à la figure 1, et réduisant la complexité, le retard et le cot dans le processus d'étirage. Jusqu'ici, lorsque la préforme incluait la couche d'enveloppe, cela faisait que le transfert thermique prenait un temps indu, et plaçait une limitation sur la taille de la préforme (diamètre), limitant ainsi la quantité de fibre que l'on peut étirer de la préforme. Selon l'invention, on augmente la profondeur de pénétration du rayonnement incident sur la préforme, en employant une matière fluorée dans la couche d'enveloppe 24. Les polymères fluorés possèdent une absorption optique beaucoup plus faible dans la bande de 1 à 2 am que les polymères protonés (non fluorés) du fait que les fréquences de résonance des liaisons carbone-fluor sont considérablement inférieures à celles des liaisons carbone-hydrogène dans les polymères protonés. Ainsi, il est avantageux de fluorer les polymères qui constituent la gaine 23 et également les polymères du coeur. Les formes de réalisation préférées de la présente invention suivent et des exemples des matières employées. Forme de réalisation I La préforme 21 est fabriquée avec un coeur à saut d'indice ou à gradient d'indice se composant d'un polymère perfluoré amorphe, tel que les copolymères tétrafluoroéthylène/2,2-bis-trifluorométhyl-4,5-difluoro-1,2-dioxole (connus plus couramment sous le nom commercial de Teflon AF) combinés avec un dopant à petite molécule qui augmente l'indice, tels que les oligomères du chlorotrifluoroéthylène. Cette matière de coeur est alors entourée par une matière de gainage Teflon AF non dopée afin de former le guide de lumière. On ajoute ensuite une troisième couche à l'extérieur du gainage. afin d'ajouter de la résistance mécanique à la fibre étirée. Puisque la matière Teflon AF est assez onéreuse, il est souhaitable de choisir un polymère perfluoré moins onéreux pour la couche la plus externe, tel que l'éthylène/propylène fluoré. Dans cette forme de réalisation, et dans les suivantes, on peut former la couche d'enveloppe à partir d'un polymère perfluoré cristallin ou partiellement cristallin, sous forme d'un mélange de polymères perfluorés, ou d'un mélange de polymères partiellement fluorés et perfluorés. Une préforme de ce type présentera une excellente transparence dans le proche infrarouge, les profondeurs de pénétration dépassant typiquement 1 mètre dans la bande des longueurs d'onde de 1 à 2 Him. Ainsi, on préférera le plus vraisemblablement un four à infrarouge avec une émission de longueurs d'onde plus grandes, dans cette forme de réalisation. Forme de réalisation Il On fabrique une préforme à gradient d'indice selon la technique antérieure, par exemple en employant une technique de polymérisation de gel interfaciale (Koike, brevet US N0 5 541 247). Dans un tel procédé, on peut mélanger une solution se composant principalement de méthacrylate de 2,2,2-trifluoroéthyle (désigné ci-après par méthacrylate fluoré) et un dopant approprié augmentant l'indice à l'intérieur d'un tube de poly(méthacrylate d'alkyle), partiellement fluoré, et on polymérise par la suite le méthacrylate fluoré. Pendant le déroulement du processus de polymérisation, le dopant augmentant l'indice se concentre préférentiellement près du centre du mélange, aboutissant à une préforme à gradient d'indice partiellement fluorée. Selon l'invention, on peut ajouter une couche supplémentaire de matière partiellement fluorée (par exemple, du poly(méthacrylate d'alkyle) partiellement fluoré, ou un mélange de poly(méthacrylate de méthyle) /poly(fluorure de vinylidène) à la préforme à gradient d'indice avant d'étirer la préforme en une fibre optique. Si l'on choisit toutes les matières comme étant fluorées approximativement à 50 %, alors la profondeur de pénétration du rayonnement provenant d'un four infrarouge dans la bande de 1 à 2 pm, sera approximativement le double par rapport à celle pour PMMA. Ainsi, on s'attend à une profondeur de pénétration (définie par une absorption de 50 %) d'approximativement 30 mm. Forme de réalisation III On fabrique une préforme 21 avec un coeur à saut d'indice ou à gradient d'indice, se composant d'un polymère perfluoré amorphe. tel que le poly(perfluorobuténylvinyléther) (connu plus couramment sous le nom commercial de CYDOP) combiné avec un dopant à petite molécule qui augmente l'indice, tel que les oligomères du chlorotrifluoroéthylène. Cette matière de coeur serait alors entourée par une matière de gainage CYTOP non dopée afin de former le guide de lumière. On ajoute alors une troisième couche fluorée en dehors du gainage. afin d'ajouter de la résistance mécanique à la fibre étirée. Puisque la matière CYTOP est assez onéreuse, il est souhaitable de choisir un polymère fluoré moins onéreux pour la couche la plus externe, tel qu'un mélange poly(méthacrylate de méthyle)/poly(fluorure de vinylidène). La troisième couche fluorée peut être en variante, un mélange de polymères partiellement fluorés ou un mélange d'un polymère partiellement fluoré et d'un ou plusieurs polymères non fluorés. Si l'on choisit le mélange polymère composant la couche externe comme étant fluoré à approximativement 50 %, alors la profondeur de pénétration du rayonnement issu d'un four à infrarouge, dans la bande de 1 à 2 plm, sera approximativement 30 mm. Ainsi, si la portion perfluorée (coeur optique et gainage) d'une préforme. présente un diamètre de 30 mm, la distribution radiale de la température dans une préforme avec un diamètre externe de 100 mm, sera assez uniforme, même si la longueur du four est assez courte. Forme de réalisation IV Dans toutes les formes de réalisation précédentes, l'enveloppe 24 est soit perfluorée soit au moins partiellement fluorée. Il est également possible de faire en sorte que l'enveloppe 24 comprenne deux couches 24 et 26, tel qu'indiqué à la figure 2 par les traits interrompus. On produit une préforme 21 à gradient d'indice, partiellement fluorée, avec au moins un gainage partiellement fluoré 23, tel que dans la forme de réalisation Il. Ensuite, on ajoute une couche supplémentaire de matière non fluorée (par exemple, un poly(méthacrylate de méthyle)) à la préforme à gradient d'indice avant d'étirer la préforme en une fibre optique. Dans cette forme de réalisation, la profondeur de pénétration du rayonnement issue d'un four à infrarouge dans la bande de 1 à 2 p1m sera approximativement de 15 mm dans la couche externe, puisque cette couche est non fluorée. Toutefois, les couches internes de la préforme (coeur optique et gainage) présenteront une profondeur de pénétration beaucoup plus longue d'approximativement 30 mm s'ils sont fluorés à 50 %. Ainsi, si la portion perfluorée (coeur optique et gainage) d'une préforme, possède un diamètre de 40 mm, la distribution radiale de la température dans une préforme avec un diamètre externe de 70 mm sera relativement uniforme, même si la longueur du four est assez courte. Dans cette forme de réalisation, la fluoration partielle du coeur optique et celle des couches de gainage, servent à la fois pour réduire l'atténuation optique de la fibre et pour faciliter la pénétration du rayonnement infrarouge dans la préforme. Dans toutes les formes de réalisation précédentes, la préforme possède une enveloppe protectrice externe qui, matériellement, n'empêche pas une pénétration satisfaisante du rayonnement dans le coeur et le gainage, et ce qui fait de la production de la fibre une opération simple, prenant moins de temps et plus économique. Il doit être sous-entendu que l'on pourrait incorporer les différentes caractéristiques de la présente invention dans d'autres types de préforme, et que d'autres modifications ou adaptations pourraient venir à l'esprit des hommes de métier. Il est prévu que toutes ces variations et modifications soient incluses dans la présente comme étant dans le champ de la présente invention tel qu'exposé dans les revendications. De plus, dans les revendications ci-après, il est prévu que les structures, matières, actions et équivalents, correspondants de tous les moyens ou d'éléments d'étape et fonctionnels incluent toutes les structures, matières ou actions pour réaliser les fonctions en combinaison avec d'autres éléments, tel que revendiqué spécifiquement. REVENDICATIONS 1 - Préforme pour étirer une fibre optique de matière plastique comprenant: - un coeur (22): - une couche de gainage (23) entourant ledit coeur (22): et - une couche d'enveloppe (24) entourant ladite couche de gainage (23), ladite enveloppe comprenant une matière polymère qui est au moins partiellement fluorée. 2 - Préforme selon la revendication 1, dans laquelle la couche d'enveloppe (24) est un polymère perfluoré. 3 - Préforme selon la revendication 1, dans laquelle la couche d'enveloppe (24) est un polymère perfluoré amorphe. 4 - Préforme selon la revendication 1, dans laquelle la couche d'enveloppe (24) est un polymère perfluoré cristallin ou partiellement cristallin. - Préforme selon la revendication 1, dans laquelle la couche d'enveloppe (24) est un mélange de polymères perfluorés. 6 - Préforme selon la revendication 1, dans laquelle la couche d'enveloppe (24) est un mélange de polymères partiellement fluorés et perfluorés. 7 - Préforme selon la revendication 1, dans laquelle la couche d'enveloppe (24) est un polymère partiellement fluoré. 8 - Préforme selon la revendication 1, dans laquelle la couche d'enveloppe (24) est un mélange de polymères partiellement fluorés. 9 - Préforme selon la revendication 1, dans laquelle la couche d'enveloppe (24) est un mélange de un ou plusieurs polymères partiellement fluorés et de un ou plusieurs polymères non fluorés. - Préforme selon la revendication 1, dans laquelle ledit coeur (22) et gainage (23) comprennent des polymères qui sont au moins partiellement fluorés. 11 - Préforme selon la revendication 10, dans laquelle ledit coeur (22) est un coeur à gradient d'indice comprenant un polymère perfluoré amorphe ayant un dopant qui augmente l'indice dans celui-ci; et ladite couche de gainage (23) est un polymère perfluoré non dopé. 12 - Préforme selon la revendication 11, dans laquelle ladite couche d'enveloppe (24) comprend une matière à base d'éthylène/propylène fluorée. 13 - Préforme selon la revendication 10, dans laquelle ledit coeur (22) comprend un polymère acrylique partiellement fluoré ayant un dopant qui augmente l'indice dans celui-ci; et ladite couche de gainage (23) comprend un polymère acrylique partiellement fluoré. 14 - Préforme selon la revendication 13, dans laquelle ladite couche d'enveloppe (24) comprend une matière polymère acrylique partiellement fluorée. - Préforme selon la revendication 13. dans laquelle ladite couche d'enveloppe (24) comprend un mélange partiellement fluoré de poly(méthacrylate de méthyle) et un poly(fluorure de vinylidène). 16 - Préforme selon la revendication 13. dans laquelle la matière dudit coeur (22), la matière de ladite couche de gainage (23), et la matière de ladite couche d'enveloppe (24) sont chacune fluorées approximativement à 50 %. 17 - Préforme selon la revendication 10. dans laquelle ledit coeur (22) comprend un polymère perfluoré de poly(perfluorobuténylvinyléther) ayant un dopant qui augmente l'indice dans celui-ci; et ladite couche de gainage (23) comprend un polymère perfluoré non dopé de poly(perfluorobutényl-vinyléther). 18 - Préforme selon la revendication 17, dans laquelle ladite couche de gainage (23) comprend un poly(méthacrylate d'alkyle) partiellement fluoré. 19 - Préforme selon la revendication 17, dans laquelle ladite couche de gainage (23) comprend un mélange partiellement fluoré de poly(méthacrylate de méthyle) et un poly(fluorure de vinylidène). - Préforme selon la revendication 17, dans laquelle ladite couche de gainage (23) comprend une matière polymère acrylique partiellement fluorée. 21 - Préforme selon la revendication 1, dans laquelle ladite couche d'enveloppe comprend une couche interne (24) d'une matière au moins partiellement fluorée et une couche externe (26) d'une matière non fluorée. 22 - Préforme selon la revendication 21, dans laquelle ladite couche externe (26) comprend une matière à base de poly(méthacrylate de méthyle). 23 - Procédé de fabrication d'une préforme (21) à partir de laquelle une fibre optique (12) de matière plastique doit être étirée, comprenant les étapes suivantes: - former un coeur (22) à gradient d'indice comprenant une matière amorphe au moins partiellement fluorée combinée avec un dopant qui augmente l'indice; - entourer ledit coeur (22) par une première couche (23) d'une matière polymère non dopée au moins partiellement fluorée; entourer ladite première couche (23) par une deuxième couche (24) d'au moins un polymère partiellement fluoré. 24 - Procédé selon la revendication 23, dans lequel les matières dudit coeur (22), de ladite première couche (23) et de ladite deuxième couche (24) sont perfluorées. 25 - Procédé de fabrication d'une préforme (21) à gradient d'indice à partir de laquelle une fibre optique (12) de matière plastique doit être étirée, comprenant les étapes suivantes: - mélanger une solution d'un acrylate de méthyle fluoré et d'un dopant qui augmente l'indice à l'intérieur d'un tube de poly(méthacrylate d'alkyle) partiellement fluoré - polymériser le méthacrylate fluoré; et - entourer ledit tube par une couche d'une matière polymère partiellement flu orée.