Brevet FR3093718A1 — publié le 20200918

Description Titre de l'invention : Procédé et dispositif de fabrication d'une fibre optique creuse. Domaine technique [0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une fibre optique. Elle concerne aussi un dispositif de fabrication d'une fibre optique. Etat de la technique antérieure [0002] Aujourd'hui, la limite de la performance de transmission des fibres optiques est fixée par les pertes par diffusion. [0003] La fibre optique à coeur creux a connu un progrès phénoménal depuis sa conception il y a presque 20 ans. Ce progrès se décline par les techniques de sa fabrication et sa performance de transmission ainsi que par les applications qui ont vu le jour suite à sa réalisation et qui couvrent des domaines divers et variés comme les télécommunications, l'optique nonlinéaire, les lasers, le micro-usinage, la physique des atomes froids ou la spectroscopie de haute résolution et les capteurs. [0004] Dans ce contexte, l'état de l'art des pertes de transmission est autour de 2 à 10 dB/km pour les fibres creuses suivant le type de fibre et la gamme spectrale. [0005] Le but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif de fa- brication de fibre optique creuse améliorant la performance de transmission desdites fibres et/ou ayant des pertes réduites relativement à l'état de l'art actuel. Exposé de l'invention [0006] Cet objectif est atteint avec un procédé de fabrication d'une fibre optique, dans lequel : - on insert une préforme dans un four, - on étire la préforme par une sortie du four, et - la préforme ainsi étirée comprenant une zone de travail comprenant une structure composée de parois, on soumet les deux faces opposées de ces parois à des flux de gaz longeant ces parois niais de sens contraires de manière à soumettre ces parois à un cisaillement de flux de gaz contre propageant de part et d'autre de ces parois. [0007] Les parois ont de préférence une épaisseur inférieure à lOptn, de préférence in- férieure à 3 pm, de préférence inférieure à lOnm. [0008] La préforme est de préférence insérée par une entrée du four. Les flux de gaz longeant les parois sont de préférence créés par : - une création d'un flux de gaz dit de sortie se propageant de l'entrée vers la sortie du four, et - une création d'un flux de gaz dit d'entrée se propageant de la sortie vers l'entrée du 2 four. [0009] Le flux de sortie et le flux d'entrée sont de préférence créés par des moyens de sur- pression et dépression créant dans la préforme du côté de l'entrée une différence de pression entre le flux de sortie et le flux d'entrée, de préférence d'au moins 100 Pa, de préférence d'au moins 1 kPa. [0010] Le flux de gaz de sortie et/ou le flux de gaz d'entrée est de préférence créé dans dif- férentes zones distinctes de la zone de travail. [0011] Les flux de gaz sont de préférence créés par des moyens situés du côté d'une entrée du four par laquelle est insérée la préforme. [0012] Le gaz des flux de gaz comprend de préférence de l'air et/ou un gaz neutre. [0013] La zone de travail forme de préférence une fihre optique creuse. [0014] La zone de travail forme de préférence une fihre optique de type micro-structurée. [0015] La préforme est de préférence une préforme en verre. [0016] La zone de travail est de préférence située en dehors du four. [0017] La zone de travail est de préférence à une température supérieure à une température de ramollissement ou de transition vitreuse du matériau composant la préforme et/ou à une température supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1500 C. [0018] Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de fa- brication d'une fibre optique, comprenant : - un four - une entrée agencée pour insérer une préforme dans le four, - des moyens pour étirer la préforme par une sortie du four, et - des moyens agencés pour soumettre les deux faces opposées de parois composant une structure d'une zone de travail de la préforme étirée à des flux de gaz longeant ces parois mais de sens contraires de manière à soumettre ces parois à un cisaillement de flux de gaz contre propageant de part et d'autre de ces parois. [0019] Les moyens agencés pour soumettre la préforme étirée à des flux de gaz de sens contraires comprennent de préférence: - des moyens pour créer un flux de gaz dit de sortie se propageant de l'entrée vers la sortie du tom-, et - des moyens pour créer un flux de gaz dit d'entrée se propageant de la sortie vers l'entrée du four. [0020] Les moyens pour créer le flux de sortie et les moyens pour créer le flux d'entrée comprennent de préférence des moyens de surpression et dépression agencés pour créer dans la préforme du côté de l'entrée une différence de pression entre le flux de sortie et le flux d'entrée, de préférence d'au moins 100 Pa, de préférence d'au moins 1 kPa. [0021] Les moyens pour créer le flux de sortie et les moyens pour créer le flux d'entrée sont 3 de préférence agencés pour créer le flux de gaz de sortie et/ou le flux de gaz d'entrée dans différentes zones distinctes de la zone de travail. [0022] Les moyens agencés pour soumettre la préforme étirée à des flux de gaz de sens contraires sont de préférence situés du côté de l'entrée du four. [0023] Le gaz des flux de gaz comprend de préférence de l'air et/ou un gaz neutre. [0024] La zone de travail est de préférence située en dehors du four. [0025] Le four est de préférence agencé pour que la zone de travail soit à une température supérieure à une température de ramollissement ou de transition vitreuse du matériau composant la préforme, et/ou à une température supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1500 °C. [0026] Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé une fibre optique obtenue par un procédé selon l'invention ou par un dispositif selon l'invention (à partir de la préforme). Description des figures et modes de réalisation [0027] D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la des- cription détaillée de mises en oeuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants : [0028] [fig.l] la figure 1 est une vue schématique de coupe de profil d'un premier mode de réalisation de dispositif 101 selon l'invention, dans lequel passe une préforme 1, [0029] [fig.2] la figure 2 est un agrandissement d'une partie d'une paroi 7 de la préforme 1, [0030] [fig.3] la figure 3 est une vue schématique en perspective de la préforme 1 au niveau de la zone de travail 4, [0031] [fig.4] la figure 4 est un agrandissement de la partie 10 de la figure 3 et est une vue schématique de coupe de profil d'une paroi 7 de la préforme 1 au niveau de la zone de travail 4 avec (figure 4a) et sans (figure 4h) mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention, [0032] [fig.5] la figure 5 est une vue de coupe de dessus de la préforme 1 au niveau de la zone de travail 4 avec (figure Sb) et sans (figure 5a) mise en oeuvre d'une autre variante de procédé selon l'invention, et [0033] [fig.6] la figure 6 est une vue de coupe de dessus de la préforme 1 au niveau de la zone de travail 4 dans une autre variante de procédé selon l'invention. [0034] Ces modes de réalisation étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites ou illustrées par la suite isolées des autres caractéristiques décrites ou illustrées (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonc- tionnelle sans détails structurels, et/ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou à différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. [0035] On va tout d'abord décrire, en référence aux figures 1 à 6, un premier mode de réa- lisation de dispositif 101 de fabrication d'une fibre optique selon l'invention. [0036] Le dispositif 101 comprend un four 2. Le four 2 est par exemple une fournaise pour étirage de fibre de chez Nextrom. [0037] Le four 2 comprend une entrée 21 agencée pour insérer une préforme 1 (typiquement une canne de verre) dans le four 2. Le dispositif 101 comprend en outre du côté de l'entrée 21 des moyens de maintien (non illustrés) agencés pour maintenir une première extrémité de la préforme 1 du côté de l'entrée 21. Ces moyens de maintien consistent par exemple en un mandrin posé sur une platine de translation. [0038] Le dispositif 101 comprend des moyens pour étirer la préforme 1 par une sortie 3 du four, le long d'une direction d'étirement 30. Ces moyens, non illustrés, sont disposés du côté de la sortie 3 du four 2. Ces moyens comprennent typiquement deux courroies en vis-à-vis disposées du côté de la sortie 3 du four 2, et où la fibre étirée est placée entres les deux courroies pour étirage avec une vitesse ajustablc. [0039] L'entrée 21 et la sortie 3 sont situées à deux extrémités opposées du four 2 le long de la direction 30. [0040] Le dispositif 101 comprend des moyens agencés pour soumettre, au moins après la sortie 3 du four 2, les deux faces opposées de parois 7 composant une structure d'une zone de travail 4 de la préforme 1 étirée à des flux de gaz 5, 6 longeant ces parois 7 mais de sens contraires de manière à soumettre ces parois 7 à un cisaillement de flux de gaz contre propageant de part et d'autre de ces parois 7. [0041] Les moyens agencés pour soumettre la préforme 1 étirée à des flux de gaz 5, 6 de sens contraires comprennent : [0042] - des moyens 81 pour créer un flux de gaz dit de sortie 5 se propageant de l'entrée 21 vers la sortie 3 du four 2, et - des moyens 82 pour créer un flux de gaz dit d'entrée 6 se propageant de la sortie 3 vers l'entrée 21 du four 2. [0043] Les moyens 81 pour créer le flux de sortie 5 et les moyens 82 pour créer le flux d'entrée 6 comprenant des moyens 8 de surpression et dépression agencés pour créer dans la préforme 1 du côté de l'entrée 21 une différence de pression entre le flux de sortie 5 et le flux d'entrée 6, de préférence d'au moins 100 Pa, de préférence d'au moins 1 kPa, typiquement d'au moins 10 kPa. [0044] Ces moyens 8 comprennent typiquement une pièce mécanique avec au moins deux cavités. Chaque cavité est rattachée de façon étanche par des canalisations à des régulateurs de pression, qui sont à leur tour raccordés à une entré de gaz ou à une pompe à vide. [0045] Les moyens 81 pour créer le flux de sortie 5 et les moyens 82 pour créer le flux d'entrée 6 sont agencés pour créer le flux de gaz de sortie 5 et/ou le flux de gaz d'entrée 6 dans différentes zones distinctes de la zone de travail 4. [0046] Les moyens agencés pour soumettre la préforme 1 étirée à des flux de gaz 5, 6 de sens contraires sont situés du côté de l'entrée 21 du four 2. [0047] Le gaz des flux de gaz 5, 6 comprend ou consiste typiquement de l'air et/ou au moins un gaz neutre parmi l'hélium, le néon, l'argon, le krypton, le xénon et le radon et/ou un mélange de ceux-ci. [0048] Le dispositif 101 comprend une ou plusieurs barrières 9 (comprenant par exemple un tube en métal permettant d'enfermer et/ou guider un flux de gaz 5 ou 6): [0049] - agencéc(s) pour entourer la préforme 1 à l'entrée 21 du four 2 et reliant les moyens 8 à l'entrée 21, et agencéc(s) pour confiner au moins une partie du flux 5 et/ou 6 sur le pourtour extérieur de la préforme 1 entre les moyens 8 et l'entrée 21, et/ou [0050] - agencéc(s) pour entourer la préforme 1 à la sortie du four 2 et s'étendant au moins à partir de la sortie 3 et jusqu'à la zone 4 inclue, et agencée pour confiner au moins une partie du flux 5 et/ou 6 sur le pourtour extérieur de la préforme 1 à partir de la sortie 3 et jusqu'à la zone 4 inclue. [0051] La zone de travail 4 est située en dehors du four 2. [0052] La zone de travail 4 est située du côté de la sortie 3 du four 2. [0053] Le four 2 comprend : [0054] - une enceinte 31 traversée par la préforme, et [0055] - une source de chaleur 32 disposée clans l'enceinte 31 et agencée pour élever la tem- pérature à l'intérieur de l'enceinte 31. [0056] La zone de travail 4 est située à une distance 43, mesurée le long de la direction 30, typiquement inférieure à 10 cm de la source de chaleur 32. [0057] Le four 2 est agencé pour que la zone de travail 4 soit à une température supérieure à une température de ramollissement ou de transition vitreuse du matériau composant la préforme 1, de préférence supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1500 °C. [0058] La température de transition vitreuse est par exemple de : [0059] - 150°C pour du Chalcogenide GeSbTe, [0060] - 245°C pour du Chalcogenide AsGeSeTe, [0061] - 235°C pour du Ven-e au fluorure ZBLAN, [0062] - 280°C pour du Tellurium dioxide, [0063] - 400°C pour du Fluoroalurninate, [0064] - 1200°C pour du Quartz fondu. [0065] On va maintenant décrire, en référence aux figures 1 à 6, un premier mode de réa- lisation de procédé selon l'invention mis en oeuvre par le dispositif 101. 6 [0066] Dans ce mode de réalisation de procédé de fabrication d'une fibre optique : [0067] - on insert la préforme 1 dans le four 2, - on étire la préforme 1 par la sortie 3 du four 2, et - la préforme 1 ainsi étirée comprenant la zone de travail 4, cette zone 4 comprenant une structure composée des parois 7, on soumet (après la sortie 3 du four 2) les deux faces opposées de ces parois 7 de la zone 4 aux flux de gaz 5, 6 longeant ces parois 7, ces flux 5, 6 étant de sens contraires de manière à soumettre ces parois 7 à un cisaillement de flux de gaz contre propageant de part et d'autre de ces parois 7. [0068] La préforme 1 est une préforme en verre, par exemple en silice [0069] La préforme 1 a une forme de tube creux, simple ou de préférence avec des structures internes. [0070] La zone de travail 4 forme une fibre optique creuse. [0071] La zone de travail 4 de la préforme 1 étirée forme de préférence une fibre optique de type micro-structurée, par exemple de type Kagome. [0072] La zone de travail 4 de la préforme étirée 1 comprend uniquement des parois 7 dont l'épaisseur est inférieure à lOpm, de préférence inférieure à 3 pm, de préférence inférieure à 300nm. [0073] La zone de travail 4 est située en dehors du four 2, du côté de la sortie 3. [0074] La zone de travail 4 est à une température supérieure à une température de ramol- lissement ou de transition vitreuse du matériau composant la préforme 1, de préférence supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1500 °C. [0075] Alors que la préforme 1 est insérée par l'entrée 21 du four 2, les flux de gaz 5, 6 longeant les parois 7 sont créés par : - une création du flux de gaz dit de sortie 5 se propageant de l'entrée 21 vers la sortie 3 du four 2, et [0076] - une création du flux de gaz dit d'entrée 6 se propageant de la sortie 3 vers l'entrée 21 du four 2. [0077] Les flux de gaz 5, 6 sont créés par les moyens 8 situés du côté de l'entrée 21 du four par laquelle est insérée la préforme 1. [0078] Le flux de sortie 5 et le flux d'entrée 6 sont créés par les moyens 8 de surpression et dépression créant dans la préforme 1 du côté de l'entrée 21 une différence de pression entre le flux de sortie et le flux d'entrée, de préférence d'au moins 100 Pa, de préférence d'au moins 1 kPa, typiquement d'au moins 10 kPa. [0079] Dans la préforme 1 du côté de l'entrée 21, la pression du flux 5 est typiquement égale à la pression atmosphérique plus 5 à 10 kPa et la pression du flux 6 est typiquement égale à la pression atmosphérique moins 5 à 10 kPa. [0080] Pour une préforme 1 différente d'un tube simple mais ayant différentes structures internes permettant la fabrication d'une fibre optique micro-structurée, le flux de gaz 7 de sortie 5 et/ou le flux de gaz d'entrée 6 est crée dans différentes zones distinctes de la zone de travail 4. [0081] Selon la variante considérée, la zone de travail 4 de la préforme étirée 1 peut par exemple comprendre : [0082] en référence à la figure 3, les parois 7 qui forment : - un coeur creux dans lequel circule le flux respectivement 6 ou 5 - des cylindres ou tubes creux entourant le coeur creux et dans chacun desquels circule le flux respectivement 5 ou 6 - une paroi entourant le coeur creux et les cylindres ou tubes, sur le pourtour extérieur de laquelle circule le flux respectivement 6 ou 5 en référence à la figure 5, les parois 7 qui forment une structure alvéolaire comprenant des alvéoles (par exemple hexagonales) dans chacune desquelles circule le flux respectivement 5 ou 6, et des creux ou espace séparant ces alvéoles dans chacun desquels circule le flux respectivement 6 ou 5 (grisés sur la figure 5h par rapport à la figure 5a), en référence à la figure 6, les parois 7 (paroi gauche, paroi droite, paroi de devant, paroi de derrière de la préforme 1) sont regroupées sous la forme d'un simple tube ou cylindre creux à l'intérieur duquel circule le flux respectivement 6 ou 5 et à l'extérieur duquel circule le flux respectivement 5 ou 6. [0083] L'invention permet la réduction de l'amplitude de la rugosité de surface d'une surface intercalée entre deux forces de stress de cisaillement ayant des sens opposés. [0084] L'invention permet, pour les fibres micro-structurées à coeur creux, de limiter la rugosité de surface, due à un phénomène hydrodynamique lors de l'étirage de la fibre et qui induit des pertes par diffusion de lumière et donc une limite de la performance de transmission des fibres optiques. [0085] Pendant la fabrication de la fibre optique, la préforme 1 est insérée dans le four 2 et chauffée à une température telle que le verre subit une transition de phase et devient viscoélastique. Ce verre « liquide » est ensuite étiré en fibre optique. Pendant cette phase liquide, le verre est le lieu d'une fluctuation de masse ou de densité qui peut être présentée comme une composition stochastique d'ondes phononiques. Lors de cet étirage le verre subit une deuxième transition de phase passant du liquide à la phase solide, et les fluctuations citées ci-dessus sont « gelées ». Dans le cas des fibres creuses (fibre optique guidant dans un coeur creux), les fluctuations gelées résultent d'ondes surfaciques, appelée ondes capillaires, et prennent la forme d'une rugosité de surface illustrée sur la figure 4.b en cas d'absence de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, i.e. sans les flux 5,6. Cette rugosité induit aussi une diffusion de lumière dont l'amplitude est proportionnelle au taux de recouvrement de la lumière dans le coeur avec le contour de verre et à l'amplitude de rugosité de surface. Aujourd'hui, 8 cette diffusion est une limite de l'état de l'art des fibres creuses. [0086] Au contraire, après mise en oeuvre de cc procédé selon l'invention, on a comme illustré sur la figure 4.a une réduction de rugosité de surface par contrôle des ondes capillaires par un stress de cisaillement contre-propageant. [0087] Des travaux ont montré que pour les fibres creuses guidant par Couplage-Inhibé, type Kagome ou tubulaire, les pertes peuvent être aussi bas que 10-2 à 10-, dB/km dans la gamme spectrale du Visible à l'UV si la rugosité de surface est fortement réduite. [0088] L'invention adresse donc une problématique capitale pour la fibre optique à coeur creux. [0089] Dans un exemple particulier : [0090] - la préforme est en silice à coeur creux avec une gaine microstructurée de type Kagome et a, à l'entrée 21, un diamètre externe de 40 mm [0091] - l'enceinte du four 2 est chauffée à 1900°C [0092] - la zone de travail 4 est à une température d'environ 300 °C à 1000°C [0093] - la préforme 1 est étirée, du côté de la sortie 3, à une vitesse de 15m/min [0094] - le flux 5 est un flux d'argon et à une pression, dans la préforme 1 du côté de l'entrée 21, de 30 kPa au-dessus de la pression atmosphérique, [0095] - le flux 6 de sortie est à une pression, dans la préforme 1 du côté de l'entrée 21, de 6 kPa en dessous de la pression atmosphérique. [0096] La fibre optique obtenue a une excellente perte de transmission d'environ 1-2 dB/km à 600-800 nm. [0097] L'invention permet d'obtenir une fibre creuse avec des pertes plus basses que l'état de l'art actuel et consolidera ses applications dans les secteurs comme : [0098] 1. Micro-usinage par laser : La fibre obtenue selon la présente invention permet un acheminement flexible et sécurisé de faisceau laser de haut flux. [0099] 2. Compression d'impulsion laser : La fibre obtenue selon la présente invention permet de comprimer des impulsions laser par une simple optimisation de la longueur de fibre et le choix du gaz à introduire dans le coeur de la fibre. [0100] 3. Chirurgie : La fibre obtenue selon la présente invention permet un acheminement flexible et sécurisé de faisceau laser pour des opérations endoscopiques ou de type Lasik. [0101] 4. Traitement de cellule : La fibre obtenue selon la présente invention permet un acheminement flexible et sécurisé de faisceau laser ultra-bref pour détruire de façon ciblée et sans dépôt de chaleur des cellules cancéreuses. [0102] 5. Laser à gaz : La fibre obtenue selon la présente invention et dont le coeur est rempli d'un gaz actif permet d'être utilisé comme un milieu de gain laser. [0103] 6. Etalon de fréquence : La fibre obtenue selon la présente invention et dont le coeur est rempli d'un gaz (e.g. acétylène , vapeur Rb ou Cs) permet d'être utilisée comme un 9 étalon de fréquence. [0104] 7. -Imagerie THZ : Le guide THZ obtenu selon la présente invention permet un ache- minement flexible et sécurisé de radiation THZ, et de collecte de radiation THZ pour l'imagerie. [0105] 8. Guide d'onde pour le THZ et le micro-onde : Le guide obtenu selon la présente invention permet un guidage THZ et/ou micro-onde monomodal et à faibles pertes de transmission. [0106] 9. Tclecomuunication « low latency » dans les « data centres ». [0107] Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l' invention. [0108] Bien entendu, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réa- lisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En particulier toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux. 10