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Dernière mise à jour: Mars 25, 2021

Mario Goduco

Cet article fait suite à la série de FOC sur les fibres optiques spéciales. Un article publié en janvier 2021, Fabrication de préformes en fibre dopée, a discuté des problèmes rencontrés dans la fabrication de préformes pour fibres spéciales. L'article ci-dessous se concentre sur la deuxième partie du processus de fabrication de la fibre optique - dessiner la préforme pour fabriquer une fibre avec le diamètre extérieur spécifié. Comme pour le traitement des préformes, les fibres spéciales présentent au fabricant de fibres de nombreuses exigences non rencontrées lors de l'étirage de fibres de communication standard.

Objectifs du processus de fibrage

Le processus d'étirage prend une préforme de fibre spéciale qui peut mesurer un mètre de longueur et l'étire sur des centaines de mètres, voire plusieurs kilomètres de fibre. La préforme est conçue et fabriquée avec des dopants et d'autres éléments soigneusement placés de sorte que la fibre étirée ait le bon indice de réfraction, les caractéristiques chimiques, mécaniques et géométriques. Ensuite, le processus d'étirage doit suivre des procédures rigoureuses et de haute précision afin que la fibre finie et enduite ait les propriétés souhaitées qui ont été «cuites» dans la préforme. Plus précisément, le processus de tirage au sort a les objectifs suivants:

  • obtenir une fibre à haute résistance; par exemple, répondre aux spécifications de résistance à la traction;
  • la réalisation de spécifications géométriques - diamètre extérieur de la fibre et, pour certaines fibres spéciales, la forme;
  • appliquer et durcir le revêtement de la fibre avec l'adhérence, l'épaisseur et la concentricité appropriées; et propriétés mécaniques;

Si vous considérez la tour d'étirage comme un système de conversion de la préforme en fibre étirée, il est important de noter qu'elle a plusieurs sous-systèmes nécessaires pour atteindre les objectifs ci-dessus. Les sous-systèmes clés comprennent le module d'alimentation en préformes, la source de chaleur, le cabestan en bas et l'appareil de revêtement. Ces systèmes fonctionnent ensemble pour atteindre le bon équilibre de température, ce qui affecte la viscosité du verre et tire la «tension». D'autres sous-systèmes contribuent à éviter les vibrations et à garantir que la fibre nue n'est pas exposée à la poussière, à l'humidité et à d'autres contaminants.

Une machine à plusieurs étages avec un alignement précis

La fibre est étirée verticalement, avec la préforme en haut de la tour et les bobines d'enroulement en bas. Une tour à plusieurs étages permet à la fibre de se refroidir avant l'application du revêtement. Une tour plus haute permet des vitesses de tirage plus rapides. Dans les usines de fibres spécialisées, les hauteurs de tour de tirage varient généralement de 7 à 14 mètres. Les fabricants de fibres de télécommunications visent à tirer à des vitesses plus élevées pour réaliser une production en vrac. Ils utilisent généralement des tours de traction avec des hauteurs supérieures à 30 ou 40 mètres.

Les fabricants de tours de tirage, tels que Special Gas Controls, construisent des tours de tirage avec des sections préfabriquées, permettant de personnaliser les hauteurs pour des installations spécifiques. Les sections sont usinées pour que la tour soit parfaitement droite. Ensuite, la tour est assemblée avec des systèmes d'alignement laser. En outre, la rigidité est essentielle, ce qui signifie que la tour de traction doit être isolée des vibrations - isolée du bâtiment et du sol en dessous. Cela nécessite une fondation spéciale et des pieds spéciaux sur la tour de tirage.

Cette exigence structurelle signifie que la fabrication et le dessin de la préforme se font dans des pièces différentes ou dans des bâtiments différents. Mais avant de transporter la préforme vers la tour et de commencer la procédure d'étirage, il y a des procédures préparatoires obligatoires: nettoyage et polissage au feu de la préforme. Après ces étapes, la préforme est amenée au sommet de la tour pour commencer le tirage.

Dessinez des sous-systèmes de tour de haut en bas

Une liste des équipements de la tour d'étirage peut varier en fonction du type de fibre fabriquée. Les fabricants de fibres de télécommunications, par exemple, peuvent avoir des enceintes ou des tubes pour travailler avec des gaz de refroidissement pour accélérer la vitesse de tirage. Le système de test d'épreuve peut être effectué au bas de la tour de tirage ou «hors ligne» à un autre endroit.

Le tableau ci-dessous répertorie les principaux types d'équipements généralement utilisés par les fabricants de fibres spécialisées. L'équipement est répertorié de haut en bas sur la tour de tirage. En outre, il existe différents fournisseurs et de nombreuses options pour certaines unités d'équipement. Les exemples incluent le choix du four (source de chaleur), des instruments de mesure avec différentes plages et des options pour le séchage des lampes et des fours dans les systèmes de revêtement.

Sous-systèmes / équipements de tour de fibres brutes spécialisées

  • Module d'alimentation en préformes
  • Four
  • Montage du tracteur de démarrage
  • Système d'alimentation en gaz (pour l'argon)
  • Filtres HEPA
  • Mesure du diamètre des fibres
  • Système de revêtement en fibre
  • Fours de séchage UV et thermique
  • Mesure du diamètre du revêtement
  • Contrôle du centrage de la fibre
  • Contrôle de la concentricité du revêtement de fibre
  • Mesure de la tension des fibres
  • Extracteur de cabestan / fibre
  • Enrouleur de fibre / changeur de tambour
  • Testeur / rembobineur de preuve de fibre
Procédures pour dessiner des fibres spéciales

Fiber Optic Center travaille directement avec SG Controls et sa gamme complète d'outils pour la fabrication de fibre optique pour le processus d'étirage. Larry et Rick peuvent être contactés au FiberOpticCenter@focenter.com pour consultation sur le processus et l'un des équipements énumérés ci-dessus.

Module d'alimentation de préformes. La préforme est acheminée vers le bas dans le four avec un contrôle minutieux de la vitesse et du positionnement. L'équipement comprend un moteur à vis, un mandrin pour maintenir la préforme et des systèmes de positionnement xy pour la centrer sur le four. La vitesse à laquelle la préforme est amenée vers le bas dans le four est déterminée par la vitesse d'étirage, le diamètre de la préforme et le diamètre de fibre spécifié. Une fois que l'étirage a commencé, la vitesse d'avance de la préforme n'est généralement pas ajustée. Le diamètre de la fibre est ajusté avec la vitesse d'étirage. La tension de tirage est contrôlée par la température du four. Cette tension est une variable clé à surveiller et à contrôler pendant le tirage au sort. Le but est de le maintenir constant. Il y a un tensiomètre à la base de la tour, juste au-dessus du cabestan.

Fourneau. La préforme descend dans un trou au sommet d'un four, qui est cylindrique avec un axe vertical. La face inférieure présente un trou d'où sort la fibre de petit diamètre. Les deux trous ont des iris pour changer le diamètre, permettant à l'opérateur de contrôler le flux de gaz dans le four. Le four utilise un élément électrique haute tension - généralement une unité de résistance en graphite. Dans le passé, des fours à induction en zircone ont été utilisés, mais la plupart des fabricants de fibres spéciales utilisent maintenant des fours à résistance en graphite.

Pour démarrer l'étirage, la préforme est descendue dans le four. La zone d'étirage est chauffée à plus de 1,900 XNUMX ° C, où le verre se ramollit et s'allonge avec un goutte-à-goutte en forme de larme tirant la fibre vers le bas. La fibre passe à travers une région de réduction dans le four et sort du trou inférieur.

Montage du tracteur de démarrage. Sous le four, le goutte-à-goutte est coupé et la fibre est passée à travers un ensemble tracteur à deux roues qui tire la fibre vers le bas, poursuivant la réduction de diamètre. Lorsque le diamètre a atteint la spécification correcte, la fibre est acheminée à travers le système de revêtement et descend la tour vers le bas, où le cabestan est engagé. Le cabestan prend en charge le tirage et le tracteur sous le four est retiré. Après cela, le cabestan en bas contrôle la vitesse du tirage dans une boucle de rétroaction avec la jauge de diamètre. (Notez que certains processus de tirage sont lancés sans utiliser de tracteur, en fonction du traitement manuel et des compétences de l'opérateur.)

Alimentation en gaz du four.
Le four fonctionne à des températures proches de 2,000 600 ° C, mais le graphite peut s'oxyder et, dans certains cas, brûler à des températures supérieures à 800 à XNUMX ° C. Pour éviter cela, de l'argon, un gaz inerte, circule dans le four. La dégradation de l'élément en graphite pourrait créer une source de contamination pour la fibre nue et également affecter la durée de vie du four.

Le débit d'argon contrôlé permet également d'éviter les turbulences, qui pourraient être causées par le flux d'air autour de l'élément à haute température. Comme indiqué précédemment, même les plus petites vibrations doivent être évitées, de sorte que la turbulence de l'air dans le four doit être minimisée. L'argon passe à travers le four avec les iris aidant à contrôler le flux. Il existe plusieurs «trucs du métier» pour surveiller et maintenir le débit de gaz d'argon correct.

Filtration de l'air. Avec les vitesses d'étirage plus lentes utilisées pour les fibres spéciales, la fibre non revêtue passe généralement à travers l'air pour la refroidir avant le revêtement. Les plus grandes usines de fibre de télécommunications ont des sections fermées de la tour de tirage pour une utilisation avec des gaz de refroidissement. Certaines opérations ont également des tours de tirage dans les salles blanches. Cependant, la plupart des fabricants de fibres spécialisées utilisent de l'air ambiant propre - nettoyé avec des filtres HEPA montés derrière la préforme et le four et à mi-chemin dans la tour.

Mesure du diamètre des fibres. Les diamètres de fibres spéciales peuvent aller de moins de 50 µm à plus de 1,000 1 µm (80 mm). Les tailles largement utilisées incluent 125, 400 et XNUMX µm. Le diamètre est déterminé par la vitesse de tirage.

De petits changements dans le four ou la température de la préforme, le débit de gaz inerte ou d'autres conditions d'étirage peuvent provoquer de petites fluctuations du diamètre de la fibre. Pour éviter cela, la tour dispose d'un système de mesure de diamètre qui fonctionne en continu. Les données de mesure sont introduites dans une boucle de contrôle de diamètre qui peut régler la vitesse de tirage du cabestan du cabestan. Dans certains cas, il peut y avoir une boucle de commande secondaire pour ajuster l'alimentation de la préforme. Ces boucles de contrôle utilisent les mesures de diamètre pour effectuer des ajustements rapides.

Plusieurs entreprises proposent des jauges de diamètre pour les tours d'étirage de fibres qui utilisent des lasers pour des mesures précises, atteignant une précision de l'ordre de quelques centaines de micromètres. Certaines de ces sociétés fournissent également des instruments pour mesurer l'épaisseur du revêtement, la concentricité et même les bulles d'air. Les systèmes de mesure fournissent également un enregistrement des données de diamètre.

Système de revêtement. Les revêtements de fibres sont essentiels pour protéger les fibres de verre, maintenir les caractéristiques mécaniques des fibres et pour certaines fibres spéciales, contribuer aux performances optiques. Certaines fibres dopées aux terres rares, par exemple, ont des revêtements polymères à faible indice qui servent de seconde gaine pour aider à guider les modes à partir des sources de «pompe» optique.

La plupart des revêtements ont deux couches - une couche intérieure plus douce qui adhère au verre et un revêtement extérieur plus dur. Cela signifie que le système de revêtement doit appliquer et durcir deux résines séparées. Après la mesure du diamètre, la fibre passe dans la première matrice ou «coupelle» du système de revêtement, qui applique le revêtement primaire (la couche intérieure). Certains revêtements secondaires, appelés «mouillé sur mouillé», peuvent être appliqués avant que le revêtement primaire ne soit durci. Dans les systèmes de revêtement «humide sur sec», le revêtement primaire passe à travers un système de durcissement thermique ou UV avant d'entrer dans la filière de revêtement secondaire. Dans de tels cas, il existe un autre système UV ou thermique pour durcir le revêtement secondaire.

Mesure de concentricité. La fibre revêtue doit subir des mesures géométriques - diamètre extérieur et concentricité du revêtement. Les mesures de diamètre de fibre revêtue utilisent également des instruments à base de laser et peuvent incorporer une boucle de rétroaction pour les ajustements. Les forces d'écoulement du liquide du matériau de revêtement à l'intérieur de la matrice aident à maintenir la fibre centrée dans la matrice. Si le moniteur de concentricité présente un problème, il peut être nécessaire d'arrêter le tirage et de recommencer. La concentricité du revêtement de fibre est importante pour éviter la perte de micro-courbure, qui peut entraîner des problèmes d'atténuation. Pour certaines fibres spéciales avec des revêtements en verre façonnés, il est également important de s'assurer que le revêtement recouvre correctement tout le verre.

Cabestan et enrouleurs. Le cabestan au bas de la préforme est la source de la vitesse d'étirage, tirant la fibre vers le bas depuis l'extrémité de la préforme. De plus, il existe un deuxième système pour enrouler la fibre sur les bobines de stockage avec la bonne tension. Les deux systèmes ont des commandes de précision, pour assurer la vitesse de tirage correcte et la tension correcte pour enrouler la fibre sur les bobines de réception.

Testeur d'épreuves et rembobineur. La résistance à la traction est une spécification critique pour la fibre finie. Cette mesure est également importante dans l'usine de fibres car les défaillances de résistance à la traction peuvent servir d'indicateurs de problèmes à résoudre dans les processus de préforme et d'étirage. Les testeurs d'épreuves incorporent généralement une bobine de gain, deux cabestans qui peuvent être contrôlés pour des tests de tension continus et une bobine réceptrice. Les problèmes de résistance à la traction résultent de défauts sur la surface du verre, et le but des tests d'épreuve est d'éliminer les gros défauts.

Le testeur d'épreuve peut être situé à côté du cabestan principal de la tour de tirage, ou il peut être dans une pièce séparée. Certains fabricants de fibres spécialisées ont également des systèmes de rembobinage pour diviser la sortie d'une préforme sur plusieurs bobines - pour les longueurs spécifiées par les clients de la fibre.

Autre équipement de tour de tirage. . Avec le monde des fibres spéciales ayant autant de variantes, certains types nécessitent des sous-systèmes supplémentaires pour obtenir ou contrôler des caractéristiques spécifiques. Les fibres à polarisation circulaire et certains autres types peuvent avoir besoin d'être filées ou tordues pendant le processus d'étirage. Ces procédures peuvent être accomplies avec une centrifugeuse dans le mandrin de préforme ou un dispositif de torsion ou de basculement vers le bas en dessous. Le dessin de fibres de cristal photonique avec des entrefers, des vides et d'autres caractéristiques peut nécessiter des systèmes supplémentaires d'écoulement de gaz et de pression de gaz pour contrôler la pression interne et l'humidité.

Optimiser le processus de tirage

Avec plusieurs sous-systèmes sur une tour, il existe plusieurs sources potentielles de pannes ou de problèmes de rendement. Dans ce cas, un «échec» peut ne pas répondre à l'une quelconque des spécifications de la fibre. Ou pour le dire positivement, tous les sous-systèmes doivent fonctionner parfaitement ensemble pour obtenir un rendement maximal d'une préforme.

Pour compliquer cet objectif, nous notons que les différents types de fibres de spécialité ont des préformes différentes, nécessitant différents réglages et ajustements sur la tour. Il n'y a pas deux préformes parfaitement identiques, et chaque procédure d'étirage doit commencer par une nouvelle vérification des paramètres d'alignement et de diamètre - réglage précis de la vitesse d'étirage, de la température et de la tension. S'il n'est pas possible de maintenir le diamètre avec la tension d'enroulement, la descente de la préforme doit également être ajustée.

D'autres complications incluent l'entretien et l'étalonnage des instruments de mesure. Un contrôle minutieux du débit de gaz est une autre procédure délicate, qui est nécessaire pour empêcher les contaminants de pénétrer sur la fibre. L'expérience de l'opérateur peut être essentielle pour résoudre toutes ces complications et atteindre la résistance à la traction, les cibles géométriques et les performances de revêtement spécifiées. Pour des questions plus détaillées sur l'équipement ou les procédures de la tour de tirage, veuillez contacter l'équipe de conseil technique de FOC au FiberOpticCenter@focenter.com .

Auteurs

Larry Donald a débuté sa carrière au Fiber Optic Center (FOC) en 2017 en tant que développement commercial, conception et fabrication de fibres, ventes techniques. Larry apporte plus de 35 ans d'expérience de la société 3M à St. Paul, MN, après avoir récemment pris sa retraite. Au cours de son séjour au sein de la société 3M, il a passé 24 ans dans le développement et la fabrication de fibres optiques spéciales utilisant la «voix du client», aidant 3M à concevoir et produire des fibres optiques pour répondre à des applications et des critères de performance spécifiques des clients. Les projets comprenaient le développement et la production de fibres PM, PZ, EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), de fibres durcies aux radiations pour gyroscopes, de dopage en solution de préformes, de développement de brevets pour la fibre Oxyfluorure Erbium, de dépôts de terres rares organométalliques et d'une fibre monomode de terres rares capteur de courbure et de position. Dans son poste de fibre chez 3M, Larry a entretenu et exploité des équipements MCVD de SG Controls Ltd de Cambridge, en Angleterre, que FOC représente en Amérique du Nord depuis plus de 25 ans. Larry a remporté plusieurs prix au cours de sa carrière, notamment le prix 3M Golden Step, le prix Photonics Circle of Excellence, le prix R&D 100, les prix 3M Circle of Technical Excellence en 1983, 2001 et 2008 et le prix 3M Ideation Challenge en 2017. Larry et sa femme résident en Arizona. En dehors de FOC, les passe-temps de Larry comprennent la pêche, la navigation de plaisance, la motoneige, l'aménagement paysager extérieur et la conception et la construction de ponts.

Richard Tumminelli, Consultant AFO pour Fiber Optic Center, Inc. (FOC), a commencé sa carrière chez FOC en 2020 en tant que consultant en conception et fabrication de fibres, expert en fibres optiques dopées aux terres rares. Rick a récemment pris sa retraite du poste de directeur de l'ingénierie sur le site de fibre Coherent à Salem, NH, et travaille dans le domaine de la fibre optique dopée aux terres rares depuis 40 ans. Auparavant, il dirigeait le groupe de fibres spécialisées chez JDS Uniphase, spécialisé dans les fibres double gaine pour les lasers à fibre et les fibres dopées à l'erbium. Richard a également occupé des postes dans le groupe d'optique des laboratoires Draper et a été membre de l'équipe de fibre optique Polaroid sous la direction du Dr Elias Snitzer, qui a effectué une grande partie des travaux fondamentaux sur les fibres dopées aux terres rares, les lasers à fibre et les amplificateurs. Il est co-inventeur du pompage laser à fibre double gaine, a obtenu 22 brevets et a 20 publications sur les lasers et amplificateurs à fibre.
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