WO1989010904A1 - Procede de realisation d'un revetement metallique sur une fibre optique et fibre optique en resultant - Google Patents

Procede de realisation d'un revetement metallique sur une fibre optique et fibre optique en resultant Download PDF

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Jean-Yves Boniort
Jacques Leboucq
Bruno Viana
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C25/00—Surface treatment of fibres or filaments made from glass, minerals or slags
    • C03C25/10—Coating
    • C03C25/104—Coating to obtain optical fibres
    • C03C25/106—Single coatings
    • C03C25/1061—Inorganic coatings
    • C03C25/1063—Metals

Definitions

  • the subject of the present invention is a process for producing a metallic coating on an optical fiber.
  • an optical fiber is coated with a plastic sheath, but the invention also applies to unsheathed fibers.
  • the plastic sheath exists, it must perform two functions:
  • the fiber is found in the presence of hostile atmospheres: water vapor, water, corrosive liquids, for example oil, and hydrogen.
  • hostile atmospheres water vapor, water, corrosive liquids, for example oil, and hydrogen.
  • the plastic sheathing is insufficient, the microcracks are enlarged and come to reduce the mechanical resistance of the fibers. This phenomenon is known as stress corrosion.
  • hydrogen diffusion there is an alteration of the glass itself and a degradation of the optical properties of the fiber.
  • the device used for this purpose comprises a die crossed by the fiber and supplied with molten alloy; it has a conical end allowing the progressive cooling of the alloy
  • the complete crystallization of the alloy is made by soaking the fiber in a water bath.
  • the lower part of the die has a fluorinated plastic disc of large diameter and thin, which acts as a screen and allows it to be isolated from the bath.
  • the object of the present invention is to avoid these drawbacks and to apply a hermetic and uniform metallic coating to a fiber sheathed or not with plastic material.
  • the present invention relates to a method of producing a metal coating on an optical fiber sheathed or not of plastic material, according to which said fiber is passed through a die operating by casting-extrusion, supplied with metal or metal alloy melted, characterized in that a conical end in the form of a sleeve is used at ⁇ ⁇ the conical end of the die, having on the one hand a low coefficient of friction with respect to the metal or of the crystallized alloy formed in said die, e on the other hand a sufficient thermal conductivity to radially dissipate the heat of crystallization, the temperatures of said die and said tip being adjusted so that the crystallization interface of said metal or of said alloy is located in said tip substantially in its half situated on the side of the end of the body of the metal die.
  • said tip is made of polytetrafluoroethylene or polyimide, when the fiber is sheathed with plastic.
  • the material of said tip is chosen from glasses, ceramics, vitreous carbon.
  • the internal diameter of said tip is of the order of 0.3 mm to 1 mm. Its length is at least 10 mm to 20 mm and can go up to 50 mm.
  • the coating material used can be chosen from tin, indium, bismuth, lead, antimony, silver, aluminum and their alloys.
  • said nozzle is provided on its peripheral part with a forced cooling device.
  • the present invention also relates to an optical fiber sheathed or not of plastic material, provided with a hermetic metallic coating obtained by the above process.
  • FIG. 1 is a diagram of an installation for implementing the method according to the invention.
  • FIG. 2 schematically shows in section an example of a sector belonging to the installation of Figure 1.
  • FIG. 1 a glass fiber 1 sheathed with plastic, previously dehydrated under vacuum, stored on a supply reel 2.
  • This fiber guided by a device shown schematically by a pulley 3 enters a heating die 4 operating by extrusion and which will be described in detail later.
  • the assembly is placed in an enclosure 20 which maintains the fiber 1 in its dehydrated state.
  • the die communicates in 5 with a pressure heating tank 6 containing a molten metal alloy 7, and maintained under argon pressure to prevent, 1Oxidation.
  • the fiber provided with its metallic coating passes over a guiding device shown diagrammatically by the pulley 8 and is stored on a take-up reel 9.
  • a device for controlling the diameter of the fiber 1 is referenced 17 '.
  • the die 4 which comprises a frame 10 made of stainless steel ending in a truncated cone 11. Its outlet 5 communicates with the tank 6 of molten alloy 7.
  • the fiber 1 is introduced into the die at level of a sleeve 12 of polytetrafluoroethylene.
  • the alloy is injected into a cavity 14 also lined with polytetrafluoroethylene.
  • the die 4 is provided with heating means referenced 13.
  • the lower part of the cone 11 of the die 4 is provided with a polytetrafluoroethylene end piece 15 firstly taking the shape of the truncated cone 11 and then leaving the die in the form of a hollow cylinder.
  • the part 12 is pierced with a central hole 18 of diameter 300 "m for the passage of the fiber 1.
  • the end piece 15 has a diameter of 400" m and a length of 12 mm.
  • a eutectic alloy 7 based on tin and indium is used, in the respective proportions of 48% and 52% crystallizing at 117 ° C.
  • the tip 15 serves as a crystallization mold for the alloy and the heating means 13 are adjusted and the temperature of the die 4 is adjusted so that the interface, for crystallization 19 is located in the upper half of the tip 15 This is made possible by the low coefficient of friction of polytetrafluoroethylene and its thermal conductivity sufficient to radially dissipate the heat of crystallization.
  • the speed of metal cladding thus obtained is 1 meter per minute, with a regular and uniform coating whose thickness is of the order of 70 »m.
  • an alloy with 60% tin and 40% indium can begin to crystallize around 155 ° C.
  • the material of the tip is then preferably chosen from glasses, ceramics and vitreous carbon.
  • the die is preferably filled under an argon atmosphere, the wettability of the materials being then significantly improved.
  • the dimensions indicated above have not been data only as an example.
  • the fibers concerned by the present invention are fibers based on silica, fluorinated glass or chalcogenic glass. They are sheathed or not with plastic material beforehand. They can be provided above the metal coating according to the invention, with another plastic coating or optionally with a reinforcement by metal wires depending on the type of application envisaged.

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Abstract

Le revêtement métallique de la fibre (1') est obtenu par extrusion d'un métal ou alliage métallique (7) dans une filière (4) dont l'extrémité est munie d'un embout (15), par exemple en polytétrafluoroéthylène, qui sert de moule et où s'effectue la cristallisation du métal ou de l'alliage.

Description

Procédé de réalisation d'un revêtement métallique sur une fibre optique et fibre optique en résultant
La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un revêtement métallique sur une fibre optique. Habituellement, une fibre optique est revêtue d'une gaine en matière plastique, mais l'invention s'applique également aux fibres non gainées. Lorsque la gaine plastique existe, elle doit assurer deux fonctions :
- La protection de la fibre contre toute abrasion extérieure pour conserver 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 présence 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'agrandissent 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 munie ou non d'un gainage plastique un revêtement métallique hermétique devant éviter la diffusion du milieu corrosif jusqu'à la surface de la fibre. Compte tenu de la faible mouillabilité des matériaux plastiques par les métaux ou les alliages, et de la très faible viscosité de ces derniers à l'état fondu, il s'est avéré extrêmement difficile d'obtenir une fibre munie d'une gaine plastique correctement gainée de métal sur toute sa périphérie par les méthodes habituelles. Le brevet américain 4;390.589 tente de résoudre ce problème en mettant en oeuvre des alliages métalliques non eutectiques. Ces alliages fondent en donnant naissance à une phase solide et une phase liquide, dont la composition et les proportions sont données par le diagramme de phases des corps considérés. De plus, ce mélange biphasé existe dans un ~ intervalle de température défini par le même diagramme. Si l'on prend comme exemple un alliage à 60 % d'êtain et 40 % d'indium, les premiers cristaux apparaîtront au refroidissement à partir de 152°C ; la proportion maximum de cette phase solide à 117°C avant la cristallisa¬ tion complète sera d'environ 25 %.
-- On indique dans ce brevet que l'enduction de la fibre gainée est rendue possible grâce à l'accroissement de la viscosité du mélange solide- liquide. Le dispositif employé à cet effet comporte une filière traversée par la fibre et alimentée en alliage fondu ; elle présente une extrémité conique permettant le refroidissement progressif de l'alliage
-5 en fusion et la formation progressive de la phase cristallisée. A la sortie de la filière, la cristallisation complète de l'alliage est faite par trempage de la fibre dans un bain d'eau. La partie inférieure de la filière présente un disque en plastique fluoré de grand diamètre et de faible épaisseur, qui joue le rôle d'écran et permet de l'isoler du bain
20 d'eau.
Or il s'avère qu'un tel procédé mis en oeuvre avec un alliage à 60 % d'étain et 40 % d'indium entraîne une modification de la viscosité trop faible, et insuffisante pour permettre l'enduction ; la continuité du revêtement ne peut être obtenue que sur environ 1 mm de longueur. Pa -~ ailleurs, cette phase solide donne des irrégularités de reliefs à la surface de la fibre, résultant de la cristallisation.
La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients et d'appliquer sur une fibre gainée ou non de matière plastique un revêtement métallique hermétique et uniforme. ~~ La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un revêtement métallique sur une fibre optique gainée ou non de matière plastique, selon lequel on fait passer ladite fibre dans une filière fonctionnant par coulée-extrusion, alimentée en métal ou alliage métallique fondu, caractérisé par le fait que l'on met en oeuvre à ~~ l'extrémité conique de la filière un embout en forme de manchon, présentant d'une part un faible coefficient de frottement vis à vis du métal, ou de l'alliage, cristallisé mis en forme dans ladite filière, e d'autre part une conductibilité thermique suffisante pour évacuer radialement la chaleur de cristallisation, les températures de ladite filière et dudit embout étant ajustées de manière que l'interface de cristallisation dudit métal ou dudit alliage se situe dans ledit embout sensiblement dans sa moitié située du côté de l'extrémité du corps de la filière métallique.
De préférence ledit embout est en polytétrafluoroéthylène ou en polyimide, lorsque la fibre est gainée de matière plastique. Lorsque la fibre n'est pas gainée et peut supporter des températures de fusion beaucoup plus élevées, le matériau dudit embout est choisi parmi les verres, les céramiques, le carbone vitreux.
Le diamètre interne dudit embout est de l'ordre de 0,3 mm à 1 mm. Sa longueur est au moins de 10 mm à 20 mm et peut aller jusqu'à 50 mm.
Sa forme de manchon lui confère la fonction de moule de cristallisation pour l'alliage ou le métal.
Le matériau du revêtement mis en oeuvre peut être choisi parmi l'étain, l'indium, le bismuth, le plomb, l'antimoine, l'argent, l'aluminium et leurs alliages.
Si c'est un alliage, il peut être du type à fusion congruente, ou de type à fusion incongruente. Le choix du matériau dépend du type de corrosion que l'on souhaite éviter et de l'existence éventuelle de la gaine plastique. Selon une variante de réalisation, ledit embout est muni sur sa partie périphérique d'un dispositif de refroidissement forcé.
La présente invention a également pour objet une fibre optique gainée ou non de matière plastique, munie d'un revêtement métallique hermétique obtenu par le procédé ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante d'un mode de réalisation, donné à titre illustratif mais non limitatif. Dans le dessin annexé :
- La figure 1 est un schéma d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. - La figure 2 montre schématiquement en coupe-un exemple de filière appartenant à l'installation de la figure 1.
On voit dans la figure 1 une fibre de verre 1 gainée de matière plastique, préalablement déshydratée sous vide, stockée sur une bobine débitrice 2. Cette fibre guidée par un dispositif schématisé par une poulie 3 entre dans une filière chauffante 4 fonctionnant par extrusion et qui sera décrite en détail plus loin. L'ensemble est disposé dans une enceinte 20 qui maintient la fibre 1 dans son état déshydraté. La filière communique en 5 avec un réservoir chauffant sous pression 6 contenant un alliage métallique fondu 7, et maintenu sous pression d'argon pour éviter ,1Oxydation. A la sortie de la filière 4 la fibre l' munie de son revêtement métallique repasse sur un dispositif de guidage schématisé par la poulie 8 et est stockée sur une bobine réceptrice 9. On a référencé 17 un dispositif de contrôle du diamètre de la fibre 1' . On voit partiellement dans la figure 2 la filière 4 qui comprend u bâti 10 en acier inoxydable se terminant en tronc de cône 11. Sa sortie 5 communique avec le réservoir 6 d'alliage en fusion 7. La fibre 1 est introduite dans la filière au niveau d'un manchon 12 en polytetrafluoroethylene. L'alliage est injecté dans une cavité 14 tapissée également de polytetrafluoroethylene. La filière 4 est munie d moyens de chauffage référencés 13. La partie inférieure du cône 11 de l filière 4 est munie d'un embout en polytetrafluoroethylene 15 épousant tout d'abord en 16 la forme du tronc de cône 11 puis sortant de la filière sous la forme d'un cylindre creux. A titre d'exemple la pièce 12 est percée d'un trou central 18 de diamètre 300 »m pour le passage de la fibre 1. L'embout 15 présente un diamètre de 400 »m et une longueur de 12 mm. On utilise un alliage eutectique 7 à base d'étain et d'indium, dans les proportions respectives de 48 % et de.52 % se cristallisant à 117°C. L'embout 15 sert de moule de cristallisation à l'alliage et les moyens de chauffage 13 sont réglés et la température de la filière 4 est ajustée pour que l'interface, de cristallisation 19 se situe dans la moitié supérieure de l'embout 15. Ceci est rendu possible grâce au faible coefficent de frottement de polytetrafluoroethylene et à sa conductivité thermique suffisante pour évacuer radialement la chaleur de cristallisation. La vitesse de gainage métallique obtenue ainsi est de 1 mètre par minute, avec un revêtement régulier et uniforme dont l'épaisseur est d l'ordre de 70 »m.
Pour augmenter la vitesse de gainage, il suffit d'accroître le refroidissement de l'embout 15, soit en plaçant autour de lui des radiateurs analogues à ceux utilisés pour le refroidissement des composants électroniques, soit en utilisant un moyen de refroidissemen plus efficace, tel qu'un anneau métallique refroidi par circulation d'eau ou de tout autre fluide régulé à plus basse température. On peut obtenir ainsi une vitesse de gainage pouvant atteindre 10 mètres par minute.
Si l'on peut observer sur la fibre l' sortie de la filière quelqu traces longitudinales dues à l'extrusion dans l'embout 15, en revanche il n'apparaît aucune structure polycristalline de l'alliage caractéristique des procédés de l'art antérieur.
On a donné .ci-dessus l'exemple d'un alliage eutectique, mais le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre, contrairement aux procédés de l'art antérieur, aussi bien avec des alliages à fusion congruente qu'avec des alliages à fusion incongruente, la cristallisation étant toujours obtenue dans l'embout, avant la sortie la filière. Si l'interface séparant la phase liquide de la phase solid se rapprochait trop de la partie inférieure de l'embout 15, l'état de surface du revêtement métallique se dégraderait.
Ainsi, on peut utiliser un alliage à 60 % d'étain et à 40 % d'indium commençant à se cristalliser vers 155°C.
On peut utiliser également un métal pur, tel que l'aluminium, ou l'un des métaux mentionnés plus haut. Le point de fusion étant beaucou plus élevé, ce procédé s'applique alors à des fibres non gainées. Le matériau de l'embout est alors choisi de préférence parmi les verres, les céramiques et le carbone vitreux.
Pour éviter la rétention de bulles à la surface des pièces de la filière en acier inoxydable ou en polytetrafluoroethylene, on effectue de préférence le remplissage de la filière sous atmosphère d'argon, la mouillabilité des matériaux étant alors nettement améliorée. Bien entendu toutes dimensions indiquées ci-dessus n'ont été données qu'à titre d'exemple.
Les fibres concernées par la présente invention sont les fibres à base de silice, de verre fluoré ou de verre chalcogénùre. Elles sont préalablement gainées ou non de matière plastique. Elles peuvent être munies au-dessus du revêtement métallique selon l'invention, d'un autre revêtement plastique ou éventuellement d'un renforcement par des fils métalliques selon le type d'application envisagé.
On pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer tout moyen par un moyen équivalent.

Claims

REVENDICATIONS
1/ Procédé de réalisation d'un revêtement métallique sur une fibre optique gainée ou non de matière plastique selon lequel on fait passer ladite fibre dans une filière fonctionnant par coulée-extrusion et alimentée en métal ou alliage métallique fondu, caractérisé par le fait que l'on met en oeuvre à l'extrémité conique de la filière un embout en forme de manchon, présentant d'une part un faible coefficent de frottement vis-à-vis du métal, ou de l'alliage, cristallisé mis en forme et, d'autre part, une conductibilité thermique suffisante pour évacuer radialement la chaleur de cristallisation, les températures de la filière et dudit embout étant ajustées de manière que l'interface de cristallisation dudit métal ou dudit alliage se situe dans ledit embout, sensiblement dans sa moitié située du côté de l'extrémité de ladite filière. 2/ Procédé.de réalisation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau dudit embout est choisi parmi le polytetrafluo¬ roethylene, les polyimides, les verres, les céramiques, le carbone vitreux. 3/ Procédé de réalisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit embout présente un diamètre interne de l'ordre de 0,3 mm à 1 mm, et que sa longueur est au moins de 10 mm à 20 mm.
4/ Procédé de réalisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit embout est muni sur sa périphérie d'un dispositif de refroidissement forcé.
5/ Procédé de réalisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le matériau dudit revêtement métallique est choisi parmi l'étain, l'indium, le bismuth, le plomb, l'antimoine, l'argent, l'aluminium et leurs alliages. 6/ Procédé de réalisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le remplissage en métal ou alliage fondu de ladite filière s'effectue sous atmosphère d'argon.
7/ Procédé de réalisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit métal ou alliage fondu est stocké dans un réservoir sous pression grâce à la présence d'un gaz neutre, tel que 1'argon.
8/ Fibre optique gainée ou non de matière plastique, caractérisée par le fait qu'elle est munie d'un revêtement métallique hermétique obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 7. 9/ Fibre optique selon la revendication 8, caractérisée par le fait que ledit revêtement métallique est muni lui-même d'un revêtement plastique. 10/ Fibre optique selon la revendication 8, caractérisée par le fait que ledit-revêtement métallique est muni d'un renforcement mécanique de fils métalliques. 11/ Fibre optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que son verre est du type silice, verre fluoré, ou verre chalcogénure.
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