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Dernière mise à jour: Mars 5, 2021

Chaque étape nécessite de la précision, à commencer par la tige centrale

Il s'agit de la troisième de la nouvelle série de FOC sur la technologie des fibres dopées. Le premier article, "Fibres dopées aux terres rares», A passé en revue les principales méthodes de fabrication de préformes en fibres dopées. Le deuxième article, "Fibres dopées au thulium», A discuté des caractéristiques du thulium en tant que dopant et a commenté le désir d'atteindre des concentrations de dopant plus élevées. L'article ci-dessous examine plus en détail les étapes de fabrication de préformes en fibres dopées en commençant par des tiges centrales MCVD à halogénure.
De nombreux produits de haute technologie sont fabriqués avec une séquence de procédures telles que chaque étape s'appuie sur l'exactitude et la précision de l'étape précédente. Cela est particulièrement vrai pour les fibres dopées aux terres rares, qui nécessitent des connaissances en matière de fabrication de préformes, d'étirage de fibres, de mesures et une compréhension de base de la propagation du guide d'ondes et des principes fondamentaux du laser. La fabrication de la préforme, par exemple, implique des étapes qui nécessitent des connaissances et une expérience dans plusieurs domaines: la manipulation des produits chimiques, la gestion du processus de dépôt, la compréhension des matériaux en verre et leurs propriétés, et des compétences de travail du verre, telles que le meulage, la mise en forme, l'étirement, le redressage et joindre.

Certaines des étapes de fabrication des préformes de fibres dopées se déroulent sur des machines sous contrôle logiciel. D'autres parties du processus dépendent des décisions des opérateurs et, dans certains cas, de leur habileté à travailler le verre chaud; les étapes impliquent à la fois la technologie et la technique. Cet article vous guidera à travers les étapes critiques, en commençant par la tige centrale. Comme indiqué dans les articles précédents, nous pensons que le procédé MCVD aux halogénures est particulièrement bien adapté pour obtenir des caractéristiques de fibres dopées optimales pour de nombreuses applications.

Le noyau et le revêtement reposent sur des processus différents

Une préforme de fibre dopée MCVD comporte plusieurs couches de matériaux en verre. Le noyau de fibre dopée est déposé à l'intérieur d'un tube de quartz de haute pureté. Le quartz de ce tube de départ devient la première couche de verre de revêtement. Les étapes suivantes utilisent des tubes de gainage pour augmenter la quantité de verre de revêtement. Pour de nombreuses applications, cette préforme est ensuite «mise en forme» par meulage de méplats sur la surface extérieure. Cette mise en forme hexagonale ou octogonale est réalisée pour maximiser le mélange des modes dans la première gaine et donc maximiser l'absorption dans le coeur.
La préforme façonnée est ensuite étirée, revêtue de polymère et testée à l'épreuve. Pour certaines fibres dopées, dites «double gaine», le revêtement polymère est un matériau à faible indice qui sert de gaine secondaire. Le matériau de quartz provenant du tube de départ et des tubes de gainage constitue la gaine principale.

La taille et la forme de la préforme varient selon les applications

De nombreux éléments du processus de fabrication de préformes sont adaptés pour arriver à la géométrie de fibre requise. La quantité de matériau d'âme à déposer, la quantité de verre de gaine à ajouter et la mise en forme finale peuvent toutes varier avec la conception de la fibre, qui à son tour dépend de l'application de la fibre dopée. Les fibres dopées à l'erbium pour amplificateurs de télécommunications, par exemple, ont le même diamètre extérieur et des rapports cœur-gaine similaires que les fibres de transmission de télécommunications.

Les fibres dopées pour lasers et capteurs, en revanche, peuvent avoir des diamètres de noyau et de gaine, des ouvertures numériques et des formes de gaine significativement différents. Ces variables sont déterminées par des facteurs tels que le type de pompage, la quantité d'absorption et de gain, la température, les qualités modales, la longueur d'onde de fonctionnement et de nombreuses autres caractéristiques de fonctionnement. Certains lasers à fibre, par exemple, utilisent des fibres dopées avec un cœur de 20 µm et une gaine de 400 µm. Pour les fibres avec une gaine primaire octogonale, la mesure du diamètre 400 µm est la diagonale d'un sommet à l'autre.

dépôt des matériaux de noyau dopés

Les tubes de dépôt et de gainage MCVD sont les éléments de base

  1. Dépôt des matériaux de noyau dopés. La plupart des fabricants de fibres se procurent des tubes de départ auprès de sources extérieures. Il existe plusieurs entreprises qui se spécialisent dans les substrats de quartz de haute pureté, les tiges, les tubes et d'autres formes pour les fabricants de fibres. Une taille typique pour le tube de dépôt est de 25 mm de diamètre extérieur et 1 mètre de longueur. D'autres tailles sont disponibles. Pour les tailles personnalisées, le processus du fabricant de tubes peut signifier que le client doit acheter une plus grande quantité.Une spécification typique pour l'épaisseur de paroi est de 3 mm, ou un diamètre intérieur de 19 mm. Le fabricant de fibres peut spécifier des tailles alternatives en fonction de la quantité de matériau d'âme à déposer et des caractéristiques géométriques prévues. Le matériau du noyau dopé est déposé sur la paroi interne du tube dans des épaisseurs de l'ordre de 100 µm (ou plusieurs centaines de microns).
  2. Affaissement du noyau-tige. Le dépôt conduit à un cylindre creux avec le matériau dopé sur la paroi interne. Celui-ci doit être replié pour former une tige solide, avec un noyau solide dopé. L'objectif est d'obtenir une tige droite avec une bonne concentricité noyau-gaine, une cohérence géométrique et aucun contaminant - pas d'humidité (faible OH-). Cette étape se fait sur le tour de préforme, alors que la tige est chaude et tourne. La température de dépôt est typiquement de 1800 à 1900 ° C. Pendant l'effondrement, la température est de plusieurs centaines de degrés plus élevée, et le brûleur passe le long de la tige à une vitesse plus lente. La pression du gaz à l'intérieur du tube est soigneusement contrôlée avec les passages du brûleur. Ceci est fait pour maintenir un bon équilibre avec les forces de tension superficielle, assurant ainsi que le tube s'effondre avec une forme cylindrique uniforme. À ce stade, la tige repliée est presque prête pour le gainage, ce qui constituera le matériau de revêtement. Après affaissement, le noyau-tige peut ne pas être droit. Dans un tel cas, la tige centrale doit être redressée pour pouvoir être insérée dans un tube de manchon droit. C'est là qu'intervient un certain savoir-faire dans le travail du verre. Ce processus est effectué sur le tour, encore une fois avec de la chaleur, et l'opérateur utilise des outils à main pour redresser manuellement la tige. Ensuite, les dernières étapes avant l'opération de gainage consistent à nettoyer et polir au feu la tige.
  3. Ajout de verre de revêtement par gainage. Une partie intégrante de toutes ces étapes de préforme est une inspection, une mesure et un test minutieux des caractéristiques mécaniques, géométriques et optiques. Par exemple, les dimensions précises de la tige centrale effondrée sont nécessaires pour planifier les étapes de gainage pour obtenir le diamètre de cœur de fibre et le rapport âme-gaine souhaités. Une taille de tube de gainage couramment utilisée a un diamètre extérieur de 32 mm, un diamètre intérieur de 20.5 mm et une longueur de 1 mètre. Différents diamètres et épaisseurs de paroi sont disponibles, mais les options du préformateur peuvent être limitées par la taille des brûleurs et d'autres paramètres du tour. Selon les dimensions de la tige-noyau et du tube de manchon, il peut être nécessaire d'étirer la préforme avant qu'elle ne rentre dans le tube.L'étirement peut être effectué sur un tour équipé d'une poupée mobile, mais ce processus est limité par la longueur du tour et affaissement dû à la gravité. Une alternative est l'étirement vertical sur une tour comme une tour de tirage. Cela permet de plus grandes longueurs et un meilleur contrôle géométrique. Dans les deux cas, la chaleur et le mouvement d'étirement sont soigneusement contrôlés.Le processus d'affaissement du tube de gainage sur la tige de noyau peut également être effectué sur un tour horizontal avec un brûleur mobile ou sur un équipement vertical avec un brûleur ou un four, toujours avec une température prudente. et contrôle de mouvement. Après avoir replié le tube de gainage, le résultat est une tige de verre solide. Selon le plan et les dimensions souhaitées, il peut s'agir d'une préforme prête à être étirée ou d'une unité intermédiaire qui recevra plus de tubes de gaine.
  4. Cannage pour obtenir plusieurs préformes à partir d'une tige de noyau. Dans de nombreux cas, les objectifs géométriques sont atteints en étirant ou en «cannant» cette unité intermédiaire, en la coupant en des longueurs plus courtes et en repliant les tubes de gaine sur chacun de ceux-ci. Dans certains cas, une tige avec un tube de gainage peut être étirée à des longueurs de l'ordre de 10 mètres et coupée en plusieurs segments. Pour de telles longueurs, le processus d'étirage est effectué sur une tour verticale, en utilisant une vitesse de processus beaucoup plus lente que celle utilisée pour tirer la fibre. Il existe différentes procédures pour «couper» la tige la plus longue en segments. Le choix dépend des dopants du noyau, de la géométrie et d'autres caractéristiques du verre. Les options impliquent différentes températures et processus mécaniques. Ainsi, le gainage peut impliquer de nombreuses étapes complexes, donnant quatre préformes ou plus à partir d'une tige centrale déposée par MCVD. Encore une fois, tout cela nécessite des mesures précises, une manipulation soigneuse et un nettoyage.
  5. Mise en forme finale avant le dessin. Certaines préformes peuvent être étirées après l'étape précédente, avec une section ronde. Pour certaines applications de laser à fibre, cependant, une préforme formée - par exemple hexagonale ou octogonale - est préférée pour obtenir un meilleur mélange des modes de sortie pompe-laser dans le noyau. Pourquoi cette mise en forme est-elle avantageuse? Dans une fibre cylindrique à noyau concentrique, l'énergie de la pompe peut se propager dans la gaine, en manquant totalement le noyau dopé.

 

Au fil des ans, différentes géométries ont été développées pour améliorer l'absorption de puissance de la pompe. Une stratégie consiste à meuler un ou plusieurs méplats sur le bord extérieur de la préforme. Cela doit être fait avec soin pour minimiser les défauts de surface, qui pourraient causer des problèmes lors du dessin et du revêtement. Ensuite, la température d'étirage doit être optimisée pour éviter d'arrondir la forme souhaitée. En plus de la température, la vitesse d'étirage et la tension doivent être contrôlées pour obtenir le bon diamètre et la bonne résistance de la fibre. (Comme pour la fabrication de préformes, le processus d'étirage des fibres dopées aux terres rares comporte de nombreuses variables et complexités. Les sujets liés au tirage seront traités dans les prochains articles de cette série.)

Conclusions:

Nous avons montré qu'il y a une séquence d'étapes - dépôt, affaissement, gainage, cannage, coupe, ré-gainage et mise en forme finale - pour passer du tube de départ à une préforme prête pour le dessin. Chaque étape comprend des mesures et des tests minutieux. Et il y a des facteurs de rendement à chaque étape. Par exemple, une partie du verre aux extrémités du noyau-tige et des tubes est perdue à chaque étape. Et les processus de test peuvent réduire davantage la quantité totale de verre déposé ou gainé à étirer. Avec ces différents facteurs de rendement, le succès de chaque étape dépend du succès des étapes précédentes. Ainsi, il est essentiel que le processus commence avec de bonnes tiges de noyau. Pour de nombreux dopants de terres rares et les caractéristiques de fibre souhaitées, telles que le profil d'indice, NA, etc., le procédé aux halogénures peut être déterminant pour obtenir de bonnes barres de noyau.

La quantité de fibre tirée d'une préforme dépend du diamètre de la fibre, des facteurs de rendement d'étirage et d'autres variables. En termes généraux, une préforme de fibre dopée aux terres rares d'un mètre peut donner de l'ordre de un à cinq kilomètres de fibre. Ainsi, si une tige de noyau peut donner quatre préformes ou plus, elle peut céder de l'ordre de 10 km de fibre. Ou, selon la quantité de fibre spécifiée dans le milieu de gain d'un laser ou d'un amplificateur, une tige de noyau peut fournir suffisamment de fibre pour des centaines de lasers ou d'amplificateurs.

Atteindre ce niveau de rendement implique des mesures minutieuses, une configuration de la machine, un contrôle de processus et parfois même un savoir-faire à chaque étape. FOC a l'expérience nécessaire pour vous aider à toutes les étapes du processus. Veuillez nous contacter pour toute question concernant n'importe quelle étape, de la planification de votre processus à l'inspection sortante.

Author

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.
Fabrication de préformes en fibres dopées
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