Brevet FR2895396A1 — publié le 20070629

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PREFORME DE FIBRE OPTIQUE La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une préforme de fibre optique. Une fibre optique est réalisée en étirant une préforme sur une tour de fibrage. Une préforme comprend généralement une préforme primaire constituée d'un tube de verre de très haute qualité qui forme une partie de la gaine et le coeur de la fibre. Cette préforme primaire est ensuite rechargée ou manchonnée pour augmenter son diamètre et former une préforme utilisable sur une tour de fibrage. Dans ce contexte, on appelle gaine interne la gaine formée à l'intérieure du tube et gaine extérieure la gaine formée à l'extérieure du tube. L'opération de fibrage homothétique consiste à placer la préforme verticalement dans une tour et à tirer un brin de fibre d'un bout de la préforme. Pour cela, une haute température est appliquée localement à une extrémité de la préforme jusqu'à ce que la silice soit ramollie, la vitesse de fibrage et la température sont ensuite contrôlées en permanence pendant le fibrage car ils déterminent le diamètre de la fibre. Une fibre optique est classiquement composée d'un coeur optique, ayant pour fonction de transmettre et éventuellement d'amplifier un signal optique, et d'une gaine optique, ayant pour fonction de confiner le signal optique dans le coeur. A cet effet, les indices de réfraction du coeur n~ et de la gaine ng sont tels que ne>ng. Comme cela est bien connu, la propagation d'un signal optique dans une fibre optique monomode se décompose en un mode fondamental guidé dans le coeur et en des modes secondaires guidés sur une certaine distance dans l'ensemble coeur-gaine, appelés modes de gaine. Une fibre optique peut être fabriquée à partir d'une préforme comprenant une préforme primaire constituée d'un tube en silice pure ou dopée dans lequel des couches de silice dopées et/ou pures ont été successivement déposées pour former une gaine interne et un coeur central. Les dépôts dans le tube sont du type dépôt chimique en phase vapeur, désigné par le sigle CVD pour Chemical Vapour Deposition en langue anglaise. Ce type de dépôt est effectué par injections de mélanges gazeux dans le tube et ionisations desdits mélanges. Le dépôt de type CVD englobe les dépôts MCV D (Modified Chemical Vapour Deposition), FCVD (Furnace Chemical Vapour Deposition) et PCVD (Plasma enhanced Chemical Vapour Deposition). Après le dépôt des couches correspondant au coeur et à la gaine interne, le tube est refermé sur lui-même dans une opération appelée rétreint. On obtient alors la préforme primaire constituée d'un barreau de silice. Cette préforme primaire est R \Brevets\24500A24535ù 051221-texte depot do, ensuite rechargée, généralement avec du grain de silice naturelle pour des raisons de coûts. La recharge peut être effectuée par un dépôt plasma dans lequel les grains de silice naturelle sont déposés par gravité et fusionnés par une torche plasma sous une température de l'ordre de 2300 pour être vitrifiés sur la périphérie de la préforme primaire. La préforme primaire est mise en rotation sur elle-même et la torche ou la préforme primaire se déplace longitudinalement l'une par rapport à l'autre pour assurer un dépôt uniforme de silice sur toute la périphérie du barreau. L'opération de recharge s'effectue généralement dans une cabine close à atmosphère contrôlée pour assurer une protection contre les perturbations électromagnétiques et le dégagement d'ozone émis par la torche plasma. La recharge par dépôt plasma à partir de grains de silice est certes peu coûteuse, mais produit des impuretés qui se déposent sur la périphérie de la préforme primaire. Ces impuretés, telles que des particules d'eau et de poussières, proviennent de l'air ambiant de la cabine dans laquelle l'opération de recharge est menée. La présence d'impuretés dans la gaine extérieure û formée par la recharge de la préforme primaire û dégradent les propriétés optiques de la fibre, en particulier lorsque des impuretés sont présentes dans les premières couches de silice déposées sur la préforme primaire. Ce problème d'impuretés incorporées dans la recharge est d'autant plus important que le coeur central de la préforme primaire est gros. En effet, dans le cas d'un coeur central de grand diamètre, la gaine interne présente une épaisseur limitée et les impuretés incorporées à la périphérie du tube lors de la recharge influent d'autant plus sur la propagation du signal dans le coeur central qu'elles sont proches du coeur. On cherche pourtant à fabriquer des préformes de grande capacité. La capacité d'une préforme est définie comme la quantité de longueur de fibre optique qui peut être étirée à partir de cette préforme. Plus le diamètre de la préforme est important, plus la capacité sera grande. Pour réduire les coûts de fabrication et limiter les pertes par connexion, il est souhaitable de fournir de grandes longueurs de fibres linéaires à partir d'une même préforme. On cherche donc à fabriquer des préformes de grand diamètre tout en respectant les contraintes de dimensions relatives entre le diamètre du coeur central et le diamètre de la gaine optique. La préforme finale, après recharge doit en effet présenter les mêmes rapports de diamètre de coeur sur diamètre de gaine que la fibre optique étirée. Pour fabriquer une préforme de grande capacité, on choisit généralement d'augmenter la quantité de recharge plutôt que d'augmenter le diamètre de la préforme primaire coûteuse à fabriquer. US 2002/0144521 décrit un procédé de fabrication de préforme de grande capacité. Ce document propose de réaliser une préforme primaire par dépôt d'un coeur central de grand diamètre à l'intérieur d'un tube dopé au Chlore et au Fluor. Le R'Brevets\24500 24535--051221-texte depot doc tube est dopé au Fluor pour compenser l'augmentation de l'indice de réfraction engendrée par le dopage au Chlore. Le tube est dopé au Chlore pour limiter la migration d'impuretés de groupes OH qui dégradent les propriétés de transmission optique dans le coeur central. L'utilisation d'un tel tube dopé au Chlore et au Fluor permet, à diamètre de tube équivalent, de réduire l'épaisseur de la gaine interne déposée dans le tube afin de fabriquer une préforme primaire ayant un diamètre de coeur central élargi. Cette préforme primaire est ensuite rechargée par dépôt plasma pour obtenir une préforme finale de grand diamètre et donc de grande capacité. Le tube dopé au Chlore et au Fluor protège le coeur central des impuretés apportées par le procédé de recharge à partir de grain de silice naturelle. Un tel procédé nécessite cependant l'utilisation d'un tube spécifique, plus coûteux qu'un tube de silice pure. En outre, la présence de Chlore dans le tube n'empêche pas la formation de liaisons Si-OH sur la surface du tube lors de la recharge qui modifient l'indice global de la gaine extérieure et par conséquent les propriétés de transmission de la fibre optique. FR-A-2 760 449 décrit un procédé de dépôt de silice sur une préforme primaire de fibre optique. Ce document propose de purifier le dépôt de silice naturelle pendant l'opération de recharge. Un conduit d'alimentation amène un mélange gazeux contenant du Chlore ou du Fluor au niveau de la torche plasma pour faire réagir les éléments alcalins ou alcalino-terreux contenus dans les grains de silice afin de réduire la formation de groupes OH sur la préforme primaire. Il a cependant été constaté que ce n'est pas au niveau de la torche plasma que les impuretés sont incorporées dans la silice de la recharge car la température, environ 2300 C, est trop élevée pour favoriser la formation de liaison avec les groupes OH. Les impuretés se déposent surtout dans la silice tout juste vitrifiée à la surface du tube et pas encore refroidie. L'ajout d'un mélange gazeux contenant du Chlore ou du Fluor au niveau de la torche plasma ne réduit donc pas suffisamment la formation d'impuretés dans la silice de la recharge. FR-A-2 647 778 décrit un procédé et un dispositif de dépôt de silice sur une préforme primaire de fibre optique. Le barreau de silice constituant la préforme primaire est placé sur un tour Verrier dans un enceinte étanche séparée de l'atmosphère ambiante et alimentée en gaz desséché. L'opération de recharge est menée dans cette enceinte. L'air dans l'enceinte est soumis successivement à une filtration, à une compression et réfrigération, à une purge de l'eau condensée puis à une dessiccation finale par adsorption. Un tel procédé permet, en théorie, de supprimer la plupart des impuretés successibles d'être incorporées dans la silice de la recharge. Cependant, une telle solution est complexe et onéreuse à mettre en oeuvre. En effet, l'enceinte présente un volume d'au moins 8 à 10 m3 et nécessite un débit R \BrevetsV24500A24535--051221-tezte depot do, d'air à travers l'enceinte d'environ 3000m3/h. Soumettre un tel volume d'air aux opérations de filtration et assèchement précitées représente un coût de mise en oeuvre très important incompatible avec les coûts de fabrication des fibres optiques. Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication d'une préforme de fibre optique qui permette de réaliser l'opération de recharge à moindre coût tout en limitant au maximum l'incorporation d'impuretés dans la silice de la recharge. A cet effet, l'invention propose de positionner le barreau de la préforme primaire à travers un tube délimitant un volume de contrôle réduit autour de la zone de recharge. L'atmosphère est alors contrôlée uniquement dans ce volume réduit délimité par le tube et non dans tout le volume d'une enceinte contenant le tour Verrier. L'invention propose plus particulièrement un procédé de fabrication d'une préforme finale de fibre optique comprenant : - la fourniture d'une préforme primaire ; - la mise en place de la préforme primaire dans un tube de diamètre compris entre 4 et 10 fois le diamètre de la préforme primaire et de longueur comprise entre 0,3 fois et 0,8 fois la longueur de la préforme primaire ; - l'injection de gaz dans le tube en surpression par rapport à la pression 20 extérieure au tube ; - la recharge de la préforme primaire. Selon les modes de réalisation, le gaz injecté est de l'azote ou de l'air. Selon un mode de réalisation, le gaz injecté a un taux d'humidité relative inférieur à 5% à 20 C. 25 Selon un mode de réalisation, le gaz injecté contient en outre des gaz fluorés et/ou chlorés. Selon un mode de réalisation, la surpression à l'intérieur du tube est comprise entre 0,1 bar et 1 bar. Selon un mode de réalisation, le gaz injecté est chauffé à une température 30 comprise entre 300 C et 600 C. Selon un mode de réalisation, la recharge est effectuée par dépôt plasma de grains de silice, telle que du grain de silice naturelle. Selon un mode de réalisation, le tube comporte une ouverture pour permettre le passage d'une torche à plasma et l'introduction de grains de silice. 35 Selon les modes de réalisation, le tube est en quartz ou en inox. R.ABrevets\24500A24535- 051221-teste depotdoc Selon un mode de réalisation, le tube est maintenu immobile pendant que la préforme primaire est entraînée en translation le long de son axe de symétrie. Selon un mode de réalisation, le tube est déplacé conjointement avec une torche à plasma le long de l'axe de symétrie de la préforme primaire. 5 L'invention concerne aussi un équipement de fabrication d'une préforme finale de fibre optique comprenant: - un support de réception d'une préforme primaire ; - un tube de diamètre compris entre 4 et 10 fois le diamètre de la préforme primaire et de longueur comprise entre 0,3 et 0,8 fois la longueur de la préforme primaire, le tube étant disposé pour entourer une préforme primaire fixée au support de réception ; - un réservoir de gaz adapté à injecter du gaz dans le tube en surpression par rapport à la pression extérieure au tube ; - un dispositif de recharge de la préforme primaire. Selon un mode de réalisation, l'équipement comprend un dispositif de mesure et de contrôle du taux d'humidité dans le tube. Selon un mode de réalisation, l'équipement comprend un dispositif de mesure et de contrôle de la pression dans le tube. Selon un mode de réalisation, l'équipement comprend un dispositif chauffage des gaz à injecter dans le tube. Selon un mode de réalisation, l'équipement comprend le dispositif de recharge comprend une torche à plasma et une conduite d'amenée de grains de silice. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple uniquement et en référence à la figure unique qui montre un schéma des éléments de mise en oeuvre du procédé de l'invention. La figure unique montre une préforme primaire 10 destinée à être placée sur un tour Verrier pour être rechargée afin de former une préforme finale utilisable sur une tour de fibrage. La préforme primaire 10 est un barreau de silice de grande pureté qui a été fabriqué selon une quelconque technique connue, par exemple par dépôt PCVD dans un tube de silice. La recharge peut être effectuée par dépôt plasma de grains de silice, de préférence du grain de silice naturelle peut coûteux. De façon connue en soi, une RABrevetsV24500A24535ù 051221-texte depot doc conduite d'amenée de grains de silice est prévue à proximité d'une torche à plasma. Soit l'ensemble composé de la torche plasma et de la conduite d'amenée de grains de silice est déplacé dans un mouvement de va et vient le long de la préforme primaire mise en rotation, soit la préforme primaire mise en rotation glisse dans un mouvement longitudinal de va et vient devant la torche plasma et la conduite d'amenée de grains de silice. Selon l'invention, la préforme primaire 10 est glissée dans un tube 20 qui entoure la zone de recharge de la préforme primaire. L'atmosphère est alors contrôlée dans le volume défini par le tube entourant la préforme primaire pour éliminer le dépôt d'impuretés sur le barreau de silice lors de la recharge. Le volume d'air à contrôler est réduit, par rapport à l'enceinte de l'art antérieur, mais suffisant pour assurer une bonne qualité de la silice déposée lors de la recharge. Le tube 20 présente un diamètre compris entre 4 fois et 10 fois le diamètre de la préforme primaire. Le tube 20 est donc assez large pour ne pas gêner la recharge et assez étroit pour limiter le volume d'air à contrôler dans la zone de recharge. En effet, pour étirer une fibre optique finale de 125 de diamètre avec un coeur de 8,7 m, on peut utiliser une préforme primaire ayant un coeur de diamètre 6 mm pour un diamètre d'environ 25 mm rechargée pour atteindre 100 mm de diamètre sur la préforme finale afin de respecter l'homothétie de la fibre. Pour une telle préforme primaire, on pourra fournir un tube de diamètre 150 mm par exemple, soit suffisamment large pour permettre la recharge de la préforme primaire et suffisamment étroit pour garantir une atmosphère bien contrôlée dans la zone de recharge. L'atmosphère est contrôlée dans le tube par injection de gaz en surpression dans le tube. Des conduites d'entrée de gaz 21 sont réparties le long du tube 20 pour injecter un gaz contrôlé dans le tube avec une surpression suffisante pour garantir que l'air ambiant ne pénètre pas dans le tube. Deux entrées de gaz 21 pourraient suffire, mais on préférera répartir six à vingt entrées de gaz 21 tout le long et autour du tube 20 pour assurer une surpression uniforme dans le tube. Le tube présente une longueur comprise entre 0,3 fois et 0,8 fois la longueur de la préforme primaire 10 pour couvrir la ou les zones de la préforme primaire qui viennent d'être rechargée sans gêner la fixation de la préforme primaire sur le tour Verrier. En effet, comme indiqué précédemment, les impuretés se déposent surtout sur les zones encore chaudes de la préforme où les grains de silice ont été tout juste vitrifiés plutôt que sur la zone chauffée par la torche plasma ou sur les zones déjà refroidies. On a constaté que les impuretés s'incorporent surtout dans la silice entre 1200 et 400 . Le tube doit donc présenter une longueur suffisante pour couvrir la RABrevets\24500A24535--051221-teste depot dot. préforme primaire encore chaude. Une préforme primaire 10 présente typiquement une longueur de 1 m ; un tube d'environ 50 à 60 cm de long serait donc adapté. Le volume d'atmosphère à contrôler, délimité par le tube 20, est donc suffisamment réduit pour permettre de garantir une atmosphère exempte de poussières avec un taux d'humidité fortement réduit pour un coût raisonnable. Par exemple, des réservoirs d'air ou d'azote sous pression peuvent être reliés aux entrées de gaz 21 du tube. Les gaz stockés pour être injectés dans le tube 20 présentent un taux d'humidité relative inférieur à 5% à 20 C. De plus, l'air ou l'azote injecté dans le tube 20 peut être mélangé avec des gaz fluorés et/ou chlorés pour inhiber toute formation de groupe OH dans le volume du tube et éviter les liaisons Si-OH sur la surface de la préforme. On préférera injecter de l'azote plutôt que de l'air pour éviter la création de groupes NOx (gaz à effet de serre), bien que l'injection d'air dans le tube donne des résultats satisfaisants quant à la limitation des impuretés déposées dans la recharge. Les gaz injectés dans le tube 20 peuvent être préalablement filtrés bien que l'utilisation de réservoirs directement reliés à des conduites d'amenée de gaz reliées aux entrées 21 du tube limite les risques d'introduction de poussières dans le tube. Le gaz (ou mélange de gaz) injecté dans le tube 20 est en surpression par rapport à la pression extérieure au tube. La pression à l'extérieur du tube est en général la pression atmosphérique. En principe, une faible surpression peut suffire pour empêcher l'entrée d'air dans le tube mais on choisira une surpression suffisante pour gérer les déplacements d'air importants au niveau de la torche à plasma. Une surpression dans le tube comprise entre 0,1 bar et 1 bar est appropriée. Une telle surpression est suffisante pour garantir que l'air ambiant ne pénètre pas dans le tube et y amène des poussières et de l'humidité. Une telle surpression est également suffisamment réduite pour être obtenue par simple décharge de réservoirs sous pression ou avec l'ajout d'une pompe de faible puissance sur les conduites d'amenée de gaz aux entrées du tube. Le gaz injecté dans le tube 20 peut aussi être chauffé, à une température 30 comprise entre environ 300 C et 600 C, pour limiter la vitesse de refroidissement de la zone de la préforme qui vient d'être rechargée. Selon le mode de réalisation illustré, le tube comporte une ouverture 22 pour permettre le passage de la torche à plasma 30 et l'introduction de grains de silice dans une zone médiane du tube 20. Lors du mouvement de va et vient de la préforme 35 primaire 10 devant la torche à plasma 30, la tube peut ainsi être maintenu immobile avec la torche à plasma et protéger la zone échauffée de la préforme des impuretés quel que soit le sens de déplacement de la préforme. On pourrait cependant envisager R-\Brevets\24500\24535--051221-texte depot dot: 8 d'autres montages, dans lesquels la torche à plasma 30 et le tube 20 se déplacent conjointement le long de la préforme 10 immobile en translation. Le tube 20 sera réalisé en matériau supportant les fortes températures, par exemple en quartz ou en inox, car au moins une de ses extrémités ù ou une extrémité de son ouverture 22 centrale ù se trouve à proximité de la torche à plasma 30. Le tube doit en effet couvrir une zone proche de la zone de recharge pour éviter l'apparition d'impuretés dans la silice fusionnée. En revanche, le tube 20 ne couvre pas la zone directement chauffée par la torche à plasma. Un tel agencement est donc simple à mettre en oeuvre. Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre avec un équipement relativement simple. Un tour Verrier classique peut être utilisé comme support de réception de la préforme primaire 10. Un tube 20 en quartz ou en inox de diamètre compris entre 4 et 10 fois le diamètre de la préforme primaire et de longueur comprise entre 0,3 et 0,8 fois la longueur de la préforme primaire est positionné pour entourer la préforme primaire 10. Plusieurs tubes peuvent être rangés à proximité du tour Verrier pour permettre la recharge de différentes préformes primaires dans des conditions optimales. Des moyens de fixation peuvent être prévus sur le tour Verrier qui sera adapté pour recevoir un tube selon l'invention. Un ou plusieurs réservoirs sont prévus avec des moyens de fixations aux entrées du tube. Une torche à plasma, de type classique, avec une conduite d'amenée de grains de silice est également prévue. L'équipement peut également comprendre des moyens de contrôle et de régulation de la pression dans le tube ainsi que des moyens de contrôle du taux d'humidité dans le tube, par exemple avec un capteur de pression et un capteur d'humidité standard. L'opération de recharge d'une préforme primaire peut ainsi être réalisée avec un équipement simple et peu coûteux qui permet de réduire efficacement l'incorporation d'impuretés dans la silice de la recharge. Une fibre optique présentant des propriétés de transmission optique améliorées peut être étirée à partir d'une préforme finale obtenue par le procédé selon l'invention. R VBrevets\24500'24535--051221-texte depot dot REVENDICATIONS , 1. Procédé de fabrication d'une préforme finale de fibre optique comprenant : - la fourniture d'une préforme primaire (10) ; - la mise en place de la préforme primaire dans un tube (20) de diamètre compris entre 4 et 10 fois le diamètre de la préforme primaire et de longueur comprise entre 0,3 fois et 0,8 fois la longueur de la préforme primaire ; -l'injection de gaz dans le tube en surpression par rapport à la pression extérieure au tube ; - la recharge de la préforme primaire. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel le gaz injecté est de l'azote. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel le gaz injecté est de l'air. 4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le gaz injecté a un taux d'humidité relative inférieur à 5% à 20 C. 5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le gaz injecté contient en outre des gaz fluorés et/ou chlorés. 6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la surpression à l'intérieur du tube est comprise entre 0,1 bar et 1 bar. 7. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le gaz injecté est chauffé à une température comprise entre 300 C et 600 C. 8. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la recharge est effectuée par dépôt plasma de grains de silice. 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, dans lequel la recharge est effectuée à partir de grains de silice naturelle. R\Brevets\24500124535--051221-texte depot dot.: 10. Procédé de fabrication selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le tube comporte une ouverture pour permettre le passage d'une torche à plasma et l'introduction de grains de silice. 11. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le 5 tube est en quartz. 12. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel le tube est en inox. 13. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel le tube est maintenu immobile pendant que la préforme primaire est entraînée en 10 translation le long de son axe de symétrie. 14. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel le tube est déplacé conjointement avec une torche à plasma le long de l'axe de symétrie de la préforme primaire. 15. Equipement de fabrication d'une préforme finale de fibre optique comprenant: 15 - un support de réception d'une préforme primaire ; - un tube de diamètre compris entre 4 et 10 fois le diamètre de la préforme primaire et de longueur comprise entre 0,3 et 0,8 fois la longueur de la préforme primaire, le tube étant disposé pour entourer une préforme primaire fixée au support de réception ; 20 - un réservoir de gaz adapté à injecter du gaz dans le tube en surpression par rapport à la pression extérieure au tube ; - un dispositif de recharge de la préforme primaire. 16. Equipement selon la revendication 15, comprenant un dispositif de mesure et de contrôle du taux d'humidité dans le tube. 25 17. Equipement selon la revendication 15 ou 16, comprenant un dispositif de mesure et de contrôle de la pression dans le tube. R.\Brevets`:24500'24535--05021-texte depot doc 18. Equipement selon l'une des revendications 15 à 17, comprenant un dispositif chauffage des gaz à injecter dans le tube. 19. Equipement selon l'une des revendications 15 à 18, dans lequel le dispositif de recharge comprend une torche à plasma et une conduite d'amenée de grains de silice. R',Brevets\24500',24535ù 051221-texte depot dot_