EP0506566A1 - Procédé et dispositif de chauffage d'une fibre optique en silice sur une installation de fibrage - Google Patents

Procédé et dispositif de chauffage d'une fibre optique en silice sur une installation de fibrage Download PDF

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EP0506566A1
EP0506566A1 EP92400835A EP92400835A EP0506566A1 EP 0506566 A1 EP0506566 A1 EP 0506566A1 EP 92400835 A EP92400835 A EP 92400835A EP 92400835 A EP92400835 A EP 92400835A EP 0506566 A1 EP0506566 A1 EP 0506566A1
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EP
European Patent Office
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propeller
fiber
axis
helix
heating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP92400835A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Yves Boniort
Claude Brehm
Georges Roussy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nexans France SAS
Alcatel Lucent NV
Original Assignee
Alcatel Fibres Optiques SA
Alcatel NV
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/78—Arrangements for continuous movement of material
    • H05B6/788—Arrangements for continuous movement of material wherein an elongated material is moved by applying a mechanical tension to it
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12444—Embodying fibers interengaged or between layers [e.g., paper, etc.]

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for heating an optical fiber made of silica on a fiberizing installation.
  • the fiber is found in hostile atmospheres: water vapor, water, corrosive liquids, for example oil and hydrogen.
  • such a coating can be produced by pyrolysis of a gaseous hydrocarbon circulating in a reactor placed in an oven heated to around 1000 ° C. by the Joule effect. The fiber then passes longitudinally through the reactor.
  • an essential condition for obtaining a good quality carbon deposit is that the silica fiber has a sufficiently high temperature when it enters the reactor, approximately 300 ° C. higher than the minimum pyrolysis temperature. .
  • This condition can possibly be achieved if the reactor is very close to the exit from the fiberizing furnace and if the fiber runs fast enough not to cool. This requires that the fiber drawing speed be greater than 150 meters per minute.
  • French patent FR-A-90 02 197 has already proposed to solve this problem a Joule effect oven; such an oven has drawbacks; it lacks efficiency because the silica fiber is transparent to infrared radiation and it would have to be very long to ensure sufficient heating.
  • the object of the present invention is to implement an efficient and space-saving method and device for heating the fiber, bringing the fiber to a temperature allowing the production of a good quality carbon deposition, whatever the fiber drawing speed; optimization of the carbon deposition and optimization of the optical characteristics of the fiber can therefore be ensured simultaneously.
  • the subject of the present invention is a method of heating an optical fiber made of silica on a fiberizing installation in order to bring it to a temperature above 1000 ° C. on its entry into a pyrolysis reactor where it must receive a carbon deposit, characterized in that said fiber is passed through substantially in the axis of a microwave resonant cavity formed of a metal wire wound in a helix and fixed at its two ends respectively to two plates metallic.
  • the present invention also relates to a device for heating an optical fiber made of silica on a fiberizing installation, intended to be arranged at the outlet of the fiberizing oven to bring said fiber to a temperature above 1000 ° C., characterized by the fact that it comprises a microwave generator associated by means of coupling to a resonant cavity formed of a metallic wire wound in a helix, fixed at its two ends respectively to two metallic plates known as of short-circuit, said fiber being susceptible to pass substantially along the axis of said propeller.
  • said device comprises a coaxial guide, terminated by a dipole antenna associated by said coupling means with said propeller, the dipole being parallel to the axis of this propeller.
  • Means for adjusting the coupling can be provided and in particular means for adjusting the distance of the dipole of said antenna from the axis of said propeller.
  • said device comprises a single-mode waveguide of rectangular section.
  • the small edge of said section should be oriented parallel to the axis of the propeller.
  • the directions of the maximum electric field in the propeller and the waveguide are parallel to each other, and the coupling is maximum.
  • the device according to the invention can comprise means for adjusting the pitch and the diameter of said propeller, and thus adjusting the resonance frequency of said cavity; these adjustment means may be means for moving in rotation or in translation at least one of said metal short-circuit plates.
  • the field confined inside the propeller makes it possible to 'raise this temperature, over a distance of the order of ten centimeters, to a temperature of 1400 ° C, for a speed of 150 meters per minute.
  • the power is around 500 watts, at the frequency of 2.45 GHz.
  • the resonant frequency of the propeller does not each with the dielectric characteristics of the material it contains, unlike other types of cavity. This is fundamental for the application concerned by the present invention, since the dielectric characteristics of the fiber vary between 900 ° C and 1400 ° C. It is therefore sufficient to carry out the resonance adjustment of the cavity according to the invention once and for all; the increase in the temperature of the fiber in the cavity does not modify the resonant frequency or the efficiency of the heating. No readjustment is necessary and, at the inlet of the pyrolysis reactor, the optical fiber has the temperature required to receive a hermetic carbon coating.
  • FIG. 1 a fiberizing furnace 1 with a preform 2.
  • the fiberizing speed is 150 meters per minute.
  • the fiber 10 which leaves the furnace 1 passes through a device 3 for measuring the diameter; it is then at a temperature close to 900 ° C; it is introduced into a cavity 4 according to the invention associated with a microwave generator 5 at 2.45 GHz.
  • the cavity 4 will be described later.
  • the fiber 10 which is at a temperature of the order of 1400 ° C. passes directly into an oven of pyrolysis 6 where is introduced through a pipe 7 at least one gas chosen for example from saturated hydrocarbons, such as methane, ethane, propane, butane, and unsaturated hydrocarbons such as acetylene, ethylene , propylene, butadiene and their mixtures, as well as among halogenated hydrocarbons, such as dichloromethane.
  • saturated hydrocarbons such as methane, ethane, propane, butane
  • unsaturated hydrocarbons such as acetylene, ethylene , propylene, butadiene and their mixtures
  • halogenated hydrocarbons such as dichloromethane.
  • the fiber 11 provided with its carbon deposit then passes through cladding dies 14 and boxes 13 of UV irradiation.
  • the finished sheathed fiber referenced 12 passes over a capstan 15 and is stored on a winder 16.
  • the cavity 4 is shown diagrammatically in FIG. 2. It essentially comprises a propeller 20 of axis 21 and of length 100 mm, made up of a metallic wire of 0.5mm in diameter.
  • the propeller itself has an inside diameter of 3mm and a pitch of about 2 to 3mm.
  • the metal constituting the propeller 20 has good mechanical temperature resistance; you can choose rhodium platinum or a refractory alloy such as "Kanthal”.
  • the propeller 20 is fixed at its ends 23, 24 respectively to two metal short-circuit plates 25, 26.
  • the propeller is enclosed in a metallic cylinder 27 which constitutes the shielding of the cavity 4 and reduces any external disturbance.
  • Adjustments in translation and in rotation of the plate 25, shown diagrammatically by the arrows 30 and 31, are provided for modifying the pitch and the diameter of the propeller 20.
  • the microwave energy delivered by the generator 5 at 2.45 GHz is introduced into the cavity 4 using a coaxial guide 40 ending in a dipole antenna 41, the dipole of which is parallel to the axis 21 .
  • the antenna-helix coupling must be particularly careful to ensure a good transfer of energy.
  • the two parameters which make it possible to adjust the coupling are the length 1 of the dipole and its distance d relative to the axis 21.
  • the diameter of the propeller and its pitch are adjusted so that the resonance frequency of the cavity is 2.45 GHz.
  • the coaxial guide 40 is replaced by a single mode waveguide of rectangular section 43 x 86 mm.
  • the waveguide is oriented in such a way that the 43 mm edge is parallel to the axis 21. The coupling is thus maximum.
  • a current can be passed through the propeller 20, for example 10A at 24 volts, to reduce the cooling of the fiber 10 by its environment.
  • the short-circuit plates 25, 26 are modified accordingly to allow an electrical supply isolated from the propeller 20.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Surface Treatment Of Glass Fibres Or Filaments (AREA)
  • Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)

Abstract

On met en oeuvre un dispositif de chauffage d'une fibre optique (10) en silice sur une installation de fibrage, destiné à être disposé en sortie du four de fibrage pour porter ladite fibre à une température supérieure à 1000°C; il est caractérisé par le fait qu'il comprend un générateur micro-onde associé par des moyens de couplage à une cavité résonante formée d'un fil métallique enroulé en hélice (20), fixé à ses deux extrémités (23, 24) respectivement à deux plaques métalliques (25, 26) dites de court-circuit, ladite fibre étant susceptible de défiler sensiblement dans l'axe (21) de ladite hélice.

Description

  • La présente invention concerne un procédé et un dispositif de chauffage d'une fibre optique en silice sur une installation de fibrage.
  • Habituellement une fibre optique est revêtue d'une gaine en matière plastique qui doit assurer deux fonctions :
    • la protection de la fibre contre toute abrasion extérieure pour que soient conservées ses performances en résistance mécanique ; rappelons en effet que la résistance mécanique de la fibre est limitée par la présence de microfissures à sa surface, et ceci d'autant plus que la dimension de ces microfissures est élevée.
    • la protection de la fibre contre les microcourbures du câble où elle est introduite, qui pourraient dégrader ses propriétés optiques.
  • Or, dans certaines applications, telles que le filoguidage ou diverses applications en milieu industriel, la fibre se trouve en présente d'atmosphères hostiles : vapeur d'eau, eau, liquides corrosifs, par exemple l'huile et l'hydrogène.
  • Sous l'action conjuguée d'un tel milieu et d'une contrainte mécanique, on constate que le gainage plastique est insuffisant, les microfissures s'grandissent et viennent réduire la résistance mécanique des fibres. Ce phénomène est connu sous le nom de corrosion sous contrainte. En outre, dans le cas d'une diffusion d'hydrogène, on constate une altération du verre lui-même et une dégradation des propriétés optiques de la fibre.
  • Pour toutes les raisons précédentes, il s'est avéré indispensable de prévoir sur la fibre un revêtement hermétique de carbone devant éviter la diffusion du milieu corrosif jusqu'à la surface de la fibre.
  • On sait que l'on peut réaliser un tel revêtement par pyrolyse d'un hydrocarbure gazeux circulant dans un réacteur placé dans un four chauffé vers 1000°C par effet Joule. La fibre traverse alors longitudinalement le réacteur.
  • Ce procédé est mentionné dans l'article paru dans le "Journal of Lightware Technology vol.6 n°2 February 1988" pages 240-241 - Recent developments in hermetically coated optical fiber - par K.E. LU et al.
  • On constate que la mise en oeuvre du procédé précédent conduit à l'obtention d'un dépôt de carbone peu adhérent et incapable d'assurer une protection suffisante de la fibre.
  • Il s'avère qu'une condition essentielle pour obtenir un dépôt de carbone de bonne qualité est que la fibre de silice ait une température suffisamment élevée lorsqu'elle entre dans le réacteur, supérieure d'environ 300°C à la température minimale de pyrolyse.
  • Cette condition peut éventuellement être réalisée si le réacteur se trouve très près de la sortie du four de fibrage et si la fibre défile suffisamment vite pour ne pas se refroidir. Il faut pour cela que la vitesse de fibrage soit supérieure à 150 mètres par minute.
  • Cette vitesse de fibrage pouvant être trop importante pour que les qualités optiques de la fibre soient assurées, il convient d'interposer pour des vitesses moins grandes un dispositif de chauffage entre le four de fibrage et le réacteur.
  • Le brevet français FR-A-90 02 197 a déjà proposé pour résoudre ce problème un four à effet Joule ; un tel four présente des inconvénients ; il manque d'efficacité car la fibre de silice est transparente au rayonnement infra-rouge et il faudrait qu'il soit très long pour assurer un réchauffage suffisant.
  • La présente invention a pour but de mettre en oeuvre un procédé et un dispositif de chauffage de la fibre efficace et peu encombrant, portant la fibre à une température permettant la réalisation d'un dépôt de carbone de bonne qualité, et ceci quelle que soit la vitesse de fibrage ; l'optimisation du dépôt de carbone et l'optimisation des caractéristiques optiques de la fibre peuvent donc être assurées simultanément.
  • La présente invention a pour objet un procédé de chauffage d'une fibre optique en silice sur une installation de fibrage pour la porter à une température supérieure à 1000°C à son entrée dans un réacteur de pyrolyse où elle doit recevoir un dépôt de carbone, caractérisé par le fait qu'on fait défiler ladite fibre sensiblement dans l'axe d'une cavité résonante micro-onde formée d'un fil métallique enroulé en hélice et fixé à ses deux extrémités respectivement à deux plaques métalliques.
  • La présente invention a également pour objet un dispositif de chauffage d'une fibre optique en silice sur une installation de fibrage, destiné à être disposé en sortie du four de fibrage pour porter ladite fibre à une température supérieure à 1000°C, caractérisé par le fait qu'il comprend un générateur micro-onde associé par des moyens de couplage à une cavité résonante formée d'un fil métallique enroulé en hélice, fixé à ses deux extrémités respectivement à deux plaques métalliques dites de court-circuit, ladite fibre étant susceptible de défiler sensiblement dans l'axe de ladite hélice.
  • Selon un premier mode de réalisation, ledit dispositif comprend un guide coaxial, terminé par une antenne dipolaire associée par lesdits moyens de couplage à ladite hélice, le dipole étant parallèle à l'axe de cette hélice. Des moyens de réglage du couplage peuvent être prévus et notamment des moyens pour régler la distance du dipole de ladite antenne vis-à-vis de l'axe de ladite hélice.
  • Selon un second mode de réalisation ledit dispositif comprend un guide d'onde monomode de section rectangulaire. Dans ce cas il convient que la petite arête de ladite section soit orientée parallèlement à l'axe de l'hélice. Ainsi les directions du champ électrique maximal dans l'hélice et le guide d'onde sont parallèles entre elles, et le couplage est maximum.
  • Selon un perfectionnement le dispositif selon l'invention peut comprendre des moyens pour régler le pas et le diamètre de ladite hélice, et ajuster ainsi la fréquence de résonance de ladite cavité ; ces moyens de réglage peuvent être des moyens pour déplacer en rotation ou en translation au moins l'une desdites plaques métalliques de court-circuit.
  • Si l'on dispose le dispositif selon l'invention suffisamment près de la sortie du four de fibrage pour que la fibre entre dans le dispositif à une température voisine de 900°C, le champ confiné à l'intérieur de l'hélice permet d'élever cette température, sur une distance de l'ordre d'une dizaine de centimètres, jusqu'à une température de 1400°C, pour une vitesse de 150 mètres par minute.
  • A titre d'exemple la puissance est de 500 watts environ, à la fréquence de 2,45 GHz.
  • L'utilisation d'une hélice résonante selon l'invention présente de nombreux avantages.
  • Ainsi le champ électrique axial, efficace pour le chauffage, est nettement plus élevé que dans des cavités ayant d'autres configurations.
  • Par ailleurs la fréquence de résonance de l'hélice ne chaque pas avec les caractéristiques diélectriques du matériau qu'elle contient, contrairement à d'autres types de cavité. Ceci est fondamental pour l'application concernée par la présente invention, car les caractéristiques diélectriques de la fibre changent entre 900°C et 1400°C. Il suffit donc d'effectuer le réglage de résonance de la cavité selon l'invention une fois pour toutes ; l'élévation de la température de la fibre dans la cavité ne modifie pas la fréquence de résonance, ni l'efficacité du chauffage. Aucun réajustement n'est nécessaire et, à l'entrée du réacteur de pyrolyse, la fibre optique présente la température requise pour recevoir un revêtement de carbone hermétique.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description suivante d'un mode de réalisation, donné à titre illustratif mais nullement limitatif.
  • Dans le dessin annexé :
    • la figure 1 est un schéma d'une tour de fibrage faisant intervenir un dispositif selon l'invention,
    • la figure 2 est une vue schématique semi-coupée d'une cavité résonante appartenant à un dispositif selon l'invention.
  • On voit dans la figure 1 un four de fibrage 1 avec une préforme 2. La vitesse de fibrage est de 150 mètres par minute. La fibre 10 qui sort du four 1 passe dans un dispositif 3 de mesure de diamètre ; elle se trouve alors à une température voisine de 900°C ; elle est introduite dans une cavité 4 selon l'invention associée à un générateur micro-onde 5 à 2,45 GHz. La cavité 4 sera décrite plus loin.
  • A la sortie de la cavité 4, la fibre 10 qui se trouve à une température de l'ordre de 1400°C passe directement dans un four de pyrolyse 6 où est introduit par une tubulure 7 au moins un gaz choisi par exemple parmi les hydrocarbures saturés, tels que le méthane, l'éthane, le propane, le butane, et les hydrocarbures non saturés tels que l'acétylène, l'éthylène, le propylène, le butadiène et leurs mélanges, ainsi que parmi les hydrocarbures halogénés, tels que le dichlorométhane.
  • On a référencé 8 une tubulure de sortie correspondant à l'extraction des résidus de la pyrolyse. La fibre 11 munie de son dépôt de carbone passe ensuite à travers des filières de gainage 14 et des caissons 13 d'irradiation UV. La fibre gainée terminée référencée 12 passe sur un cabestan 15 et est stockée sur un enrouleur 16.
  • La cavité 4 selon l'invention est représentée schématiquement dans la figure 2. Elle comprend essentiellement une hélice 20 d'axe 21 et de longueur 100 mm, constituée d'un fil métallique de 0,5mm de diamètre. L'hélice proprement dite a un diamètre intérieur de 3mm et un pas d'environ 2 à 3mm. Le métal constituant l'hélice 20 a une bonne tenue mécanique en température ; on peut choisir le platine rhodié ou un alliage réfractaire tel que le "Kanthal". L'hélice 20 est fixée à ses extrémités 23, 24 respectivement à deux plaques métalliques de court-circuit 25, 26.
  • L'hélice est enfermée dans un cyclindre métallique 27 qui constitue le blindage de la cavité 4 et réduit toute perturbation extérieure.
  • Des réglages en translation et en rotation de la plaque 25, schématisés par les flèches 30 et 31, sont prévus pour modifier le pas et le diamètre de l'hélice 20.
  • L'énergie micro-onde délivrée par le générateur 5 à 2,45 GHz est introduite dans la cavité 4 à l'aide d'un guide coaxial 40 se terminant par une antenne dipolaire 41, dont le dipole est parallèle à l'axe 21.
  • Le couplage antenne-hélice doit être particulièrement soigné pour assurer un bon transfert de l'énergie. Les deux paramètres qui permettent de régler le couplage sont la longueur 1 du dipole et sa distance d par rapport à l'axe 21.
  • Le diamètre de l'hélice et son pas sont réglés pour que la fréquence de résonance de la cavité soit de 2,45 GHz.
  • Selon une variante de réalisation non illustrée, le guide coaxial 40 est remplacé par un guide d'onde monomode de section rectangulaire 43 x 86 mm. Le guide d'onde est orienté de façon telle que l'arête de 43 mm soit parallèle à l'axe 21. Le couplage est ainsi maximal.
  • Selon un perfectionnement, on peut faire passer dans l'hélice 20 un courant, par exemple 10A sous 24 volts, pour réduire le refroidissement de la fibre 10 par son environnement. Les plaques de court-circuit 25, 26 sont modifiées en conséquence pour permettre une alimentation électrique isolée de l'hélice 20.
  • Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. On pourra sans sortir du cadre de l'invention remplacer tout moyen par un moyen équivalent.

Claims (9)

1/ Procédé de chauffage d'une fibre optique en silice sur une installation de fibrage pour la porter à une température supérieure à 1000°C à son entrée dans un réacteur de pyrolyse où elle doit recevoir un dépôt de carbone, caractérisé par le fait qu'on fait défiler ladite fibre sensiblement dans l'axe d'une cavité résonante micro-onde formée d'un fil métallique enroulé en hélice et fixé à ses deux extrémités respectivement à deux plaques métalliques.
2/ Dispositif de chauffage d'une fibre optique (10) en silice sur une installation de fibrage, destiné à être disposé en sortie du four de fibrage pour porter ladite fibre à une température supérieure à 1000°C, caractérisé par le fait qu'il comprend un générateur micro-onde (5) associé par des moyens de couplage à une cavité résonante (4) formée d'un fil métallique (20) enroulé en hélice, fixé à ses deux extrémités (23, 24) respectivement à deux plaques métalliques (25, 26) dites de court-circuit, ladite fibre étant susceptible de défiler sensiblement dans l'axe (21) de ladite hélice.
3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un guide coaxial (40), terminé par une antenne dipolaire (41) associée par lesdits moyens de couplage à ladite hélice, le dipole étant parallèle à l'axe de cette hélice.
4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour régler la longueur du dipole de ladite antenne et la distance vis-à-vis de l'axe de ladite hélice.
5/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un guide d'onde monomode de section rectangulaire, la petite arête de ladite section étant orientée parallèlement à l'axe de ladite hélice.
6/ Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour régler le pas et le diamètre de ladite hélice, et ajuster ainsi la fréquence de résonance de ladite cavité.
7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour régler le pas et le diamètre de l'hélice sont des moyens pour déplacer en rotation (30) ou en translation (31) au moins l'une desdites plaques métalliques de court-circuit.
8/ Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé par le fait que ladite hélice est blindée, c'est-à-dire enfermée dans une enceinte métallique (27).
9/ Dispositif selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé par le fait que des moyens sont prévus pour faire passer un courant basse tension dans ladite hélice.
EP92400835A 1991-03-29 1992-03-26 Procédé et dispositif de chauffage d'une fibre optique en silice sur une installation de fibrage Withdrawn EP0506566A1 (fr)

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