Explication de la fibre spécialisée

Depuis 2018, FOC a fourni plus de 10 articles sur la fabrication de fibres et de préformes. Une série de sept articles, lancée en janvier 2018 et écrite par Larry Donalds, se concentre sur la technologie MCVD et les problèmes liés à la fabrication de préformes. La deuxième série, commencée en juillet 2020 et écrite par Rick Tumminelli, comprend trois articles sur les fibres dopées aux terres rares. Le lien vers la bibliothèque complète se trouve à la fin de cet article. Dans l'article ci-dessous, les deux experts en fabrication de fibres FOC offrent plus d'informations sur la large gamme de fibres spécialisées, en quoi elles diffèrent des fibres de communication standard et les problèmes particuliers rencontrés dans les processus de préforme et d'étirage.

Les systèmes de communication intègrent souvent des fibres spéciales

La technologie de la fibre optique a révolutionné l'industrie des communications. Après plusieurs décennies de déploiement, les réseaux à fibre optique acheminent les services de téléphonie, de télévision et d'Internet, soit en partie jusqu'aux utilisateurs finaux, soit dans de nombreux cas, jusqu'à la maison. Ces services sont omniprésents et bien utilisés. En 2018, par exemple, les adultes américains passaient en moyenne 8.5 heures par jour de «temps d'écran» - en utilisant un smartphone, une télévision, une tablette ou un PC. Avec la pandémie de Covid-19, l'utilisation moyenne des adultes a bondi de plus de 50% à 13.5 heures par jour de temps d'écran en 2020¹.

La hausse de l'utilisation a inclus plus de vidéoconférence et d'autres services vidéo, qui nécessitent plus de capacité de réseau que les pages Web et les communications audio. Les réseaux de fibre ont généralement traité les charges les plus élevées avec un minimum de perturbations. Dans certains cas, les opérateurs de réseau ont augmenté la capacité du réseau de
«Éclairer» plus de fibres, en ajoutant des canaux de longueur d'onde ou en augmentant les débits binaires. Cela illustre la grande capacité et la flexibilité des réseaux fibre optique actuels.

Depuis les années 1980, il y a eu des progrès significatifs dans la capacité des systèmes de fibre - caractérisés en termes de bande passante et de distance. Dans les premières années, la bande passante du système de fibre était supérieure à celle du cuivre, mais loin de ce qui est requis aujourd'hui. Les performances de distance étaient limitées par la perte optique dans la fibre, de sorte que des stations de répéteur étaient nécessaires tous les 100 km environ pour recevoir le signal optique, le nettoyer électroniquement (remodeler et resynchroniser), puis le retransmettre.

Tout cela a changé avec le développement et l'utilisation d'une fibre spéciale - une fibre dopée à l'erbium (Er), un élément de terre rare - pour fabriquer des amplificateurs optiques. Le dopant Er fournit un gain optique sur une bande de longueur d'onde proche de la «fenêtre» à faible perte de 1.55 µm de la fibre de communication. Un amplificateur à fibre dopée Er (EDFA) amplifie le signal de transmission optiquement, éliminant le besoin de répéteurs électroniques de «remodelage-resynchronisation-régénération». De plus, un EDFA peut amplifier plusieurs canaux de longueur d'onde dans la même fibre sans diaphonie, ce qui permet d'énormes augmentations de la bande passante du système de fibre.². Dans ce cas, la fibre spécialisée complète l'utilisation de la fibre de communication pour améliorer considérablement les performances de bande passante et de distance.

Comment les fibres spéciales diffèrent des fibres de communication

Les «fibres spéciales» peuvent être définies comme les fibres qui ne sont PAS conformes aux normes de fibre de communication monomode et multimode. Pour le mode monomode, les normes de l'Union internationale des télécommunications (UIT) sont largement adoptées³. Pour le multimode, les normes du Fibre Optics Tech Consortium (TIA FOTC) de la Telecommunications Industry Association, basée aux États-Unis, sont largement adoptées. Ces spécifications de fibre MM sont également normalisées par la Commission électrotechnique internationale de l'Organisation internationale de normalisation (ISO-CEI).⁴.

Dans les deux cas, «largement adopté» signifie que les spécifications de la fibre sont utilisées par les fabricants de fibres et de câbles, ainsi que par les entreprises qui fabriquent des composants d'émission-réception, des connecteurs et d'autres produits qui interfacent avec les fibres. En outre, ces normes de fibre sont également référencées dans les normes pour les réseaux locaux, les systèmes de télécommunications et d'autres infrastructures. Les normes de fibre spécifient les propriétés géométriques, physiques et optiques.

Les fibres de communication sont conçues pour transmettre un signal optique modulé à des longueurs d'onde spécifiques. La conception de la fibre est optimisée pour une faible perte et des propriétés modales qui prennent en charge les exigences de distance et de bande passante. Les fibres spécialisées sont optimisées pour des applications autres que la transmission de signaux, telles que des amplificateurs, des capteurs, des lasers, des filtres, des résonateurs annulaires, etc. structures de revêtement, propriétés géométriques, revêtements et caractéristiques de performances optiques spécialement adaptées. Certaines grandes familles de fibres spéciales se caractérisent par:

• dopants spéciaux dans le verre, en particulier dans le noyau;
• les structures qui entraînent une biréfringence pour la fibre à maintien de polarisation;
• bardages multiples;
• profils d'index spéciaux pour adapter les caractéristiques de lancement, l'ouverture numérique (NA), la zone effective, la propagation de mode et d'autres propriétés du guide d'ondes;
• diverses combinaisons de ces fonctionnalités.

Le tableau ci-dessous donne des exemples de fibres spéciales et quelques applications typiques. Dans le tableau et dans le reste de cet article, nous discutons des fibres à base de silice qui peuvent utiliser un dépôt chimique en phase vapeur pendant au moins une partie du processus de préforme. (Il existe également des fibres spéciales à base de chalcogénures, de fluorures et d'autres matériaux de verre. Ces fibres sans silice utilisent différents procédés de fabrication et ne sont pas abordées ici.). Le tableau montre que de nombreux types de fibres spéciales sont conçus pour les systèmes de détection. Les capteurs à fibre peuvent mesurer une vaste gamme de paramètres chimiques, physiques, environnementaux et biologiques. L'ampleur des applications de détection est l'une des principales raisons pour lesquelles il existe tant de types de fibres spéciales.

Fibres de communication

Fibre de spécialité

(Ces deux tableaux représentent une liste partielle des types de fibres et des applications, avec des exemples sélectionnés pour montrer la diversité des fibres spéciales et des applications)

Mesure de la demande de fibre en kilomètres ou en mètres

Comme indiqué, le monde des fibres de spécialité a beaucoup plus de produits et de types sur le marché. Les fibres de communication, en revanche, sont produites en beaucoup plus grandes quantités. En 2020, par exemple, les installations mondiales de fibre de communication ont dépassé 450 millions de kilomètres.⁵  Plus de 90% de ce total était de la fibre UIT G.652.D «monomode standard». Le reste comprenait des fibres monomodes conformes aux normes d'amélioration de la dispersion, de la surface efficace et des performances de courbure ainsi que des fibres multimodes standard.

FOC estime que la demande mondiale totale de fibre spécialisée est de l'ordre d'un million de km par an, soit moins d'un demi pour cent de la demande de fibre de communication. L'utilisation de fibres à maintien de polarisation (PM) dans les gyroscopes peut s'étendre sur des centaines de milliers de kilomètres par an, mais la demande pour d'autres types est beaucoup plus faible. De nombreuses applications n'utilisent que quelques mètres ou même moins d'un mètre dans un capteur, un laser à fibre ou un autre appareil.

Production en vrac vs production personnalisée

La plupart des fabricants de fibres spéciales offrent de nombreux types, remplissant essentiellement un grand nombre de petites quantités ou de commandes personnalisées. En conséquence, les usines de fibres spéciales ne sont pas mises en place pour la production en vrac de la même manière que la fibre de télécommunications est fabriquée. Quelques comparaisons rapides:

Télécom fibre

• La longueur de la préforme peut aller jusqu'à 3 mètres, la plupart sont de 1 à 3 mètres et un co. utilise des préformes de 6 mètres.
• Les diamètres des préformes peuvent aller jusqu'à 25 cm; la plupart ont entre 10 et 20 ans.
• Les vitesses de tirage peuvent dépasser 40 mètres par seconde (avec refroidissement forcé) et les vitesses de tirage typiques sont de 10 à 30 m / s.
• La quantité de fibre d'une préforme peut dépasser 5,000 3 km, en utilisant des préformes de XNUMX mètres.
• Les tailles de bobine de fibre de télécommunication monomode vont généralement de 10 à 50 km, avec moins pour le multimode.
• Les prix du mode monomode standard (G.652.D) sont inférieurs à 10.00 $ par km, ou moins d'un centime par mètre.
  (Remarque: c'est moins cher que la corde de cerf-volant, la ligne de pêche, la soie dentaire ou les spaghettis, par km.)

Fibre de spécialité

• Une longueur de préforme commune est d'un mètre ou légèrement moins. De nombreux fabricants de fibres spécialisées utilisant le procédé MCVD pour les tiges de noyau commencent avec un tube de dépôt d'un mètre
• Le noyau-tige d'un tube d'un mètre peut être étiré et gainé deux fois ou plus pour donner plusieurs préformes, de sorte qu'un seul tube de dépôt d'un mètre peut donner quatre ou cinq préformes.
• Le diamètre (OD) d'un tube de dépôt couramment utilisé pour fabriquer des tiges de noyau MCVD est de 2.5 cm.
• Le diamètre (OD) d'un tube de gainage couramment utilisé est de 3.2 cm.
• Une préforme prête pour l'étirage final peut avoir un diamètre extérieur de quelques centimètres.
• Les vitesses d'étirage sont généralement inférieures à cinq mètres par seconde, et beaucoup sont inférieures à un mètre par seconde, en fonction du type de fibre, de la complexité du profil et des matériaux (dopants), etc.
• La quantité de fibre tirée d'une préforme varie considérablement car les fibres spéciales sont commandées avec une large gamme de diamètres extérieurs. (Pratiquement toutes les fibres de télécommunications ont un diamètre de gaine de 125 µm.)
• Un diamètre de gaine souvent spécifié pour les fibres dopées aux terres rares est de 400 µm. Pour cette taille, une préforme de 3 cm de diamètre extérieur peut produire plusieurs km de fibres, après différents facteurs de rendement.
• Les préformes de fibres spéciales nécessitent souvent plusieurs étapes telles que le gainage, le cannage, la coupe, le ré-gainage, la gravure, l'ajout de tiges de contrainte ou d'autres éléments. En conséquence, le temps de traitement des préformes par gramme de matériau ou km de fibre est plusieurs fois supérieur à celui des fibres de télécommunications.
• Les fibres spéciales affichent une gamme de prix énorme, mais elles sont plusieurs fois plus chères que la fibre de télécommunication. Une fibre dopée aux terres rares peut coûter plus de 50.00 $ par mètre, ou 50,000 XNUMX $ par km - trois ordres de grandeur de plus que la fibre de télécommunication.

En bref, les fibres de télécommunications standard utilisent toutes les mêmes matériaux de verre et les mêmes paramètres géométriques. Et les niveaux de demande de fibres sont des dizaines de millions de kilomètres de fibres par usine, ce qui nécessite des milliers de tonnes de préformes. Pour ces besoins, les fabricants ont investi dans des systèmes de dépôt en vrac, de grandes préformes et des étirages à grande vitesse. Certains de ces systèmes sont hautement automatisés et peuvent exécuter de gros lots avec une manipulation minimale.

Des fibres spéciales sont nécessaires en beaucoup plus petites quantités, avec plus de traitement. Les fabricants font ne sauraient besoin d'équipement de production de masse. Leur principale exigence est constituée de scientifiques, d'ingénieurs et de techniciens hautement qualifiés - une expertise approfondie pour la gamme de produits et les étapes de traitement. Les fabricants de fibres spécialisées doivent souvent rechercher et préparer les produits chimiques de départ, adapter la conception des fibres et le processus de production aux exigences de l'application, mener des activités de R&D sur les procédures de traitement et résoudre les problèmes de production pour fabriquer des fibres nouvelles ou personnalisées.

Personnalisation des matériaux et des propriétés géométriques pour différentes applications

La conception et la fabrication de fibres impliquent trois facteurs clés. Le premier est la composition du verre. Le second concerne les caractéristiques géométriques - dimensions et forme. Le troisième profil d'indice de réfraction repose en partie sur les deux premiers. C'est-à-dire que le profil d'indice de réfraction est déterminé en contrôlant l'endroit où les différents matériaux de verre sont placés dans la fibre.

La composition du verre varie avec différents dopants. Le but est de contrôler l'absorption, la diffusion, la dispersion et d'autres phénomènes de la fibre à des longueurs d'onde spécifiques. Le contrôle de la composition du verre dans différentes «parties» de la fibre adapte en outre les performances de la fibre sur de nombreux paramètres. Par «parties», nous entendons principalement des couches concentriques vers l'extérieur à partir de l'axe central de la fibre. (Il existe également des fibres avec des parties non concentriques, telles que des régions de contrainte, des trous cylindriques, des vides, etc.)

C'est là que la taille et les caractéristiques géométriques entrent en jeu. Le profil d'indice de réfraction est un tracé de l'indice de réfraction des différents matériaux sur la distance de l'axe central. Le tracé représente l'indice de réfraction pour une section transversale de la fibre. L'indice peut être modifié avec différents dopants et différentes épaisseurs de couche pour contrôler la perte, la dispersion, les performances de courbure, la propagation modale, les conditions de lancement, la longueur d'onde de coupure et d'autres propriétés optiques.

Dans la plupart des fibres, l'indice de réfraction est symétrique - les «caractéristiques» de la fibre sont en couches concentriques. Cependant, les fibres à maintien de polarisation ont des caractéristiques asymétriques pour obtenir une biréfringence. Contrairement à la propagation dans les fibres de communication, l'objectif dans les fibres PM est d'avoir deux modes de polarisation orthogonaux se propageant séparément. Dans de nombreuses applications, les deux modes sont ensuite recombinés pour mesurer le retard, la perte ou d'autres perturbations pour détecter divers paramètres. Il existe plusieurs façons d'obtenir les caractéristiques asymétriques - en utilisant différents matériaux pour conférer une contrainte au verre ou en utilisant des formes de noyau et de gaine elliptiques ou autres. Ces caractéristiques nécessitent des processus de fabrication spéciaux.

Les profils et caractéristiques complexes augmentent les complexités de fabrication

En contrôlant les matériaux, les dimensions et le profil d'indice de réfraction, le fabricant de fibres spécialisées peut personnaliser la transmission, le gain, la biréfringence, les propriétés de détection et d'autres propriétés d'une fibre pour différentes applications. Cependant, ces options de conception soulèvent également des problèmes complexes dans la fabrication des préformes et l'étirage des fibres.

Les différents matériaux de verre et dopants ont des coefficients de dilatation thermique (CTE) différents. Dans le procédé MCVD, les matériaux sont déposés à haute température puis refroidis. L'utilisation de matériaux avec différents CTE introduit des contraintes qui compliquent la manipulation et le traitement ultérieur de la tige centrale ou de la préforme MCVD.

Des procédures prudentes sont nécessaires pour éviter le risque de briser les tiges de noyau ou les préformes et pour éviter d'introduire des défauts qui pourraient causer des problèmes de gainage et d'étirage. Les procédures varient en fonction des dopants et des compositions de verre ainsi que des profils d'indice et des tailles. Travailler avec différentes concentrations de dopant et différentes compositions de verre pose également des problèmes avec le procédé MCVD - contrôle de la pression de vapeur et de l'uniformité du dépôt.

L'incorporation de différents dopants et les facteurs de stress qui en résultent ont également des implications sur le dessin. Comme indiqué, les diamètres extérieurs et les revêtements varient considérablement entre les fibres spéciales, de sorte que le processus d'étirage doit aborder ces complexités. De plus, le processus de tirage au sort doit maintenir la distribution prévue des dopants et éviter d'introduire des défauts, des faiblesses ou d'autres défauts. Cela signifie que la température d'étirage, la vitesse d'étirage, la vitesse d'avance de la préforme, la force de traction, la température du revêtement et d'autres variables de la tour d'étirage doivent être soigneusement contrôlées.

L'optimisation du processus MCVD, la gestion des contraintes CTE et la minimisation des problèmes de rendement tout au long du processus en plusieurs étapes nécessitent une vaste expérience de travail avec différents types de préformes. Pour aider l'industrie des fibres spéciales, FOC a mis en place un service de conseil technique. Nous pouvons examiner les questions des fabricants de fibres spécialisées, des utilisateurs et d'autres acteurs de l'industrie pour voir où nous pouvons aider à améliorer le traitement des fibres et les performances des fibres.

¹United Healthcare «Screen Time 2020 Report», citant les statistiques de la société d'enquête Nielsen. (voir www.eyesafe.com/uhc)

²Actuellement, les fabricants d'équipements de transmission de télécommunications proposent des systèmes capables de lancer 40, 80, 96 longueurs d'onde ou plus dans une seule fibre. Dans les années 1990, des émetteurs de 2.5 Gbit / s sont arrivés sur le marché. En 2000, les émetteurs 10 Gbit / s devenaient bien établis et les émetteurs 40 Gbit / s ont été démontrés en 2004. Depuis lors, des groupes de R&D (et des comités de normalisation) développent des émetteurs basés sur une détection cohérente qui atteignent des débits de 100, 200, 400, et même 800 Gbps.

³Les normes de l'UIT sont numérotées dans une plage allant de G.652 à G.657. Certaines des normes de cette série ont deux classes attribuées ou plus désignées par une lettre. Par exemple, G.652.D est la fibre de télécommunications la plus utilisée. Ses principales caractéristiques comprennent une dispersion nulle à 1310 nm et une faible perte à 1550 nm. D'autres normes de la série G.65x couvrent les fibres à dispersion décalée, à grande surface effective et insensibles à la courbure. Les principaux fabricants de fibres participent aux comités de normalisation de l'UIT et des travaux sur de nouvelles spécifications et améliorations sont constamment en cours.

⁴L'ISO est une organisation internationale. Ses membres comprennent les organismes nationaux de normalisation de 165 pays. La CEI de l'ISO élabore, publie et certifie des normes dans les technologies électriques et électroniques. Les normes TIA FOTC pour les fibres MM ont été élaborées par le comité TIA-42 et sont finalisées dans le cadre des normes ANSI / TIA 568 qui couvrent les systèmes de câblage structuré. La dernière révision standard avec les spécifications de la fibre est ANSI / TIA 568.3-D. Les numéros de norme ISO CEI correspondants sont ISO / CEI-11801-1. Ces normes définissent des classes de fibres à gradient d'indice de 50/125 µm avec différentes caractéristiques de lancement, de longueur d'onde et de bande passante. (Une classe de fibre à indice gradué de 62.5 / 125 µm a été incluse dans les normes précédentes, mais est maintenant considérée comme obsolète dans les révisions actuelles. Elle fonctionne toujours dans les réseaux hérités et est prise en charge par de nombreux fabricants si nécessaire.)

⁵CRU a présenté cette estimation lors de sa 6e conférence mondiale sur la fibre optique et le câble, du 26 au 28 octobre 2020 (une conférence virtuelle). Ce total est en baisse par rapport à 512 millions de kilomètres de fibre installés en 2018, en raison de la pandémie de Covid-19 et de facteurs sur des marchés clés, tels que la Chine. Lors de la conférence de 2020, CRU a prévu que la demande totale dépassera à nouveau un demi-milliard de fibres-km en 2021.