Les revêtements de fibres optiques expliqués

Cet article poursuit la dernière série de FOC sur les procédés de fabrication de fibres optiques, offrant un aperçu des revêtements pour une large gamme de fibres optiques de communication standard et spécialisées. Le travail principal des revêtements est de protéger la fibre de verre, mais cet objectif présente de nombreuses subtilités. Les matériaux de revêtement sont soigneusement formulés et testés pour optimiser ce rôle protecteur ainsi que les performances de la fibre de verre.

Fonction de revêtement

Pour une fibre de taille standard avec un diamètre de gaine de 125 µm et un diamètre de revêtement de 250 µm, 75 % du volume tridimensionnel de la fibre est le revêtement polymère. Le verre de l'âme et de la gaine représente les 25 % restants du volume total de la fibre enrobée. Les revêtements jouent un rôle clé en aidant la fibre à répondre aux spécifications environnementales et mécaniques ainsi qu'à certaines exigences de performance optique.

If une fibre devait être étirée et pas revêtu, la surface extérieure du revêtement en verre serait exposée à l'air, à l'humidité, à d'autres contaminants chimiques, aux entailles, aux bosses, aux abrasions, aux courbures microscopiques et à d'autres dangers. Ces phénomènes peuvent provoquer des défauts à la surface du verre. Initialement, ces défauts peuvent être petits, voire microscopiques, mais avec le temps, les contraintes appliquées et l'exposition à l'eau, ils peuvent devenir des fissures plus grandes et éventuellement conduire à une défaillance.

C'est-à-dire que même avec des procédés de fabrication de pointe et des matériaux de première qualité, il n'est pas possible de produire une fibre sans aucun défaut. Les fabricants de fibres mettent tout en œuvre pour traiter les préformes et contrôler les conditions d'étirage afin de minimiser la taille des défauts et leur distribution. Cela dit, il y aura toujours des défauts microscopiques, tels que des fissures à l'échelle nanométrique. Le travail du revêtement est de préserver la surface du verre « tel qu'étiré » et de la protéger des facteurs extrinsèques qui pourraient endommager la surface du verre tels que la manipulation, l'abrasion, etc.

Par conséquent, tous la fibre reçoit un revêtement protecteur lorsqu'elle est étirée. La fibre non revêtue n'apparaît que sur une courte durée sur la tour d'étirage, entre le moment où la fibre sort du fond du four à préformes et entre dans la première coupelle de revêtement sur la tour d'étirage. Cet intervalle sans revêtement est juste assez long pour que la fibre refroidisse afin que le revêtement puisse être appliqué.

Dimensions du revêtement

Comme indiqué ci-dessus, la plupart des fibres de communication standard ont un diamètre de gaine de 125 µm et un revêtement polymère d'acrylate durci aux UV qui augmente le diamètre extérieur à 250 µm. Dans la plupart des cas, le revêtement acrylique est un « système » de revêtement à deux couches avec une couche intérieure plus douce appelée revêtement primaire et une couche extérieure plus dure appelée revêtement secondaire¹. Récemment, certaines entreprises ont développé des fibres de communication avec des diamètres revêtus de 200 µm ou même de 180 µm pour les câbles denses à haut compte. Ce développement signifie des revêtements plus minces, mais cela signifie également que le revêtement doit avoir des caractéristiques mécaniques et de courbure différentes.

Les fibres spéciales, en revanche, ont beaucoup plus de variantes en termes de taille de fibre, de diamètre de revêtement et de matériaux de revêtement, en fonction du type de fibre spéciale et de son application. Le diamètre de gainage de verre des fibres spéciales peut aller de moins de 50 µm à plus de 1,000 1 µm (10 mm). La quantité de revêtement sur ces fibres présente également une large plage, en fonction de l'application des fibres et du matériau de revêtement. Certains revêtements peuvent être aussi minces que XNUMX µm, et d'autres ont plusieurs centaines de microns d'épaisseur.

Certaines fibres spéciales utilisent les mêmes revêtements d'acrylate que les fibres de communication. D'autres utilisent différents matériaux de revêtement pour les exigences de détection, les environnements difficiles ou servant de revêtement secondaire. Des exemples de matériaux de revêtement de fibres de spécialité non acrylate comprennent le carbone, les métaux, les nitrures, les polyimides et autres polymères, le saphir, le silicone et des compositions complexes avec des polymères, des colorants, des matériaux fluorescents, des réactifs de détection ou des nanomatériaux. Certains de ces matériaux, tels que le carbone et le métal, peuvent être appliqués en couches minces et complétés par d'autres revêtements polymères.

Avec des fibres de communication actuellement produites à des niveaux proches de 500 millions de fibres-km par an, les acrylates durcis aux UV représentent la grande majorité (probablement plus de 99%) de tous les revêtements appliqués à la fibre optique. Au sein de la famille des revêtements acryliques, les principaux fournisseurs proposent plusieurs variantes pour différents systèmes de durcissement à tour de tirage, exigences environnementales et propriétés de performance optique et mécanique, telles que les spécifications de flexion des fibres.

Propriétés clés des revêtements de fibres optiques

Les paramètres importants des revêtements sont les suivants :

• Module est également appelé « module de Young » ou « module d'élasticité », ou parfois simplement « E ». Il s'agit d'une mesure de la dureté, généralement exprimée en MPa. Pour les revêtements primaires, le module peut être à un chiffre. Pour les revêtements secondaires, elle peut être supérieure à 700 MPa.
• Index de réfraction est la vitesse à laquelle la lumière traverse le matériau, exprimée en rapport avec la vitesse de la lumière dans le vide. L'indice de réfraction des revêtements de fibres de télécommunications largement utilisés des principaux fournisseurs tels que DSM varie de 1.47 à 1.55. DSM et d'autres sociétés proposent également des revêtements à indice inférieur, qui sont souvent utilisés avec des fibres spéciales. L'indice de réfraction peut varier avec la température et la longueur d'onde, de sorte que les indices de revêtement sont généralement indiqués à une température spécifique, telle que 23°C.
• Plage de température s'étend généralement de -20°C à + 130°C pour la plupart des acrylates durcis aux UV largement utilisés utilisés avec les fibres de télécommunications. Des gammes supérieures sont disponibles pour les environnements difficiles. Des plages allant au-dessus de +200°C sont disponibles avec d'autres matériaux de revêtement, tels que le polyimide ou le métal.
• Viscosité et vitesse de durcissement concernent les caractéristiques du revêtement lorsqu'il est appliqué sur la tour d'étirage. Ces propriétés dépendent également de la température. Il est important pour l'ingénieur d'étirage de contrôler les paramètres de revêtement, ce qui inclut le contrôle de la température de revêtement.
• Adhérence et résistance au délaminage sont des caractéristiques importantes pour garantir que le revêtement primaire ne se sépare pas du revêtement en verre et que le revêtement secondaire ne se sépare pas du revêtement primaire. Une procédure de test standardisée, TIA FOTP-178 « Mesure de la force de la bande de revêtement » est utilisée pour mesurer la résistance au délaminage.
• Dénudabilité est essentiellement le contraire de la résistance au délaminage - vous n' voulez que le revêtement se décolle pendant l'utilisation de la fibre, mais vous do veulent pouvoir en retirer de courtes longueurs pour des procédures telles que l'épissage, le montage de connecteurs et la fabrication de coupleurs à fusible. Dans ces cas, le technicien dénude une longueur contrôlée avec des outils spéciaux.
• Performances de microcourbure est un cas où le revêtement est essentiel pour aider la fibre de verre à conserver ses propriétés optiques, en particulier ses performances d'atténuation et de polarisation. Les microcourbures diffèrent des macrocourbures, qui sont visibles à l'œil nu et dont les rayons de courbure sont mesurés en millimètres. Les microcourbures ont des rayons de courbure de l'ordre de centaines de micromètres ou moins. Ces courbures peuvent se produire lors d'opérations de fabrication, telles que le câblage, ou lorsque la fibre entre en contact avec une surface présentant des irrégularités microscopiques. Pour minimiser les problèmes de microcourbure, les fabricants de revêtements ont développé des systèmes incorporant un revêtement primaire à faible module et un revêtement secondaire à module élevé. Il existe également des tests standardisés pour la microcourbure, tels que TIA FOTP-68 « Procédure de test de microcourbure de fibre optique. »
• Résistance à l'abrasion est critique pour certaines applications de fibre spécialisée, alors que la plupart des fibres de communication bénéficient d'une protection supplémentaire contre les tubes tampons et autres éléments de câble. Les articles techniques décrivent différents tests de résistance à la perforation et à l'abrasion. Pour les applications où il s'agit d'un paramètre critique, les fabricants de fibres ou de revêtements peuvent fournir des détails sur les méthodes d'essai.

Résistance à la traction

Le paramètre de résistance clé de la fibre est la résistance à la traction - sa résistance à la rupture lorsqu'elle est tirée. Le paramètre est exprimé en pascals (MPa ou GPa), en livres par pouce carré (kpsi) ou en newtons par mètre carré (N/m²). Toutes les fibres sont testées pour garantir qu'elles répondent à une résistance à la traction minimale. Après avoir été étirée et revêtue, la fibre passe dans une machine d'essais qui applique une charge de traction fixe prédéfinie sur la fibre. La quantité de charge est déterminée par les spécifications de la fibre ou, en particulier dans le cas de la plupart des fibres de communication, par les normes internationales.

Pendant le test d'épreuve, la fibre peut se casser à un point avec une zone faible, en raison d'un défaut dans le verre. Dans ce cas, la fibre qui a traversé l'équipement d'essai avant la rupture a réussi le test d'épreuve. Il a la résistance à la traction minimale. La fibre après la rupture est également passée à travers la machine et tamisée de la même manière. Un problème est que de telles ruptures peuvent affecter la longueur continue de la fibre étirée. Cela peut être un problème pour certaines applications de fibre spécialisée, telles que les gyroscopes avec fibre à maintien de polarisation, où les épissures ne sont pas acceptables. Les ruptures peuvent également réduire le rendement du fabricant de fibres. Et un nombre excessif de ruptures peut indiquer d'autres problèmes dans les processus de préforme et d'emboutissage².

Comment les revêtements affectent-ils la résistance à la traction ? Les revêtements typiques ne peuvent pas augmenter la résistance d'une fibre. Si un défaut est suffisamment important pour provoquer une rupture lors du test d'épreuve, le revêtement ne peut pas empêcher la rupture. Mais comme indiqué précédemment, le verre présente des défauts inévitables qui sont suffisamment petits pour permettre à la fibre de passer le test d'épreuve. C'est là que les revêtements ont un rôle à jouer : aider la fibre à maintenir cette résistance minimale tout au long de sa durée de vie. Les revêtements le font en protégeant les défauts mineurs des facteurs extrinsèques et d'autres dangers, empêchant les défauts de devenir suffisamment gros pour provoquer des ruptures de fibre.

Il existe des tests pour caractériser la façon dont une fibre revêtue résistera aux changements de charge de traction. Les données de ces tests peuvent être utilisées pour modéliser les performances à vie. Un test standardisé est le TIA-455 « FOTP-28 Mesurant les paramètres de résistance dynamique et de fatigue des fibres optiques par tension. » La description de la norme indique : « Cette méthode teste le comportement à la fatigue des fibres en faisant varier le taux de déformation. »

FOTP 28 et d'autres essais de traction dynamique sont destructifs. Cela signifie que les segments de fibre utilisés pour les tests ne peuvent pas être utilisés pour autre chose. De tels tests ne peuvent donc pas être utilisés pour caractériser la fibre de chaque préforme. Ces tests sont plutôt utilisés pour collecter des données pour des types de fibres spécifiques dans des environnements spécifiques. Les résultats des tests sont considérés comme applicables à toutes les fibres d'un type spécifique, tant que les mêmes matériaux et procédés sont utilisés dans leur fabrication.

Un paramètre dérivé des données d'essai de résistance à la traction dynamique est appelé "paramètre de corrosion sous contrainte" ou "n-valeur." Elle est calculée à partir des mesures de la contrainte appliquée et du temps jusqu'à la rupture. le n-value est utilisée dans la modélisation pour prédire combien de temps il faudra à une fibre pour tomber en panne lorsqu'elle est soumise à des contraintes dans certains environnements. Les tests sont effectués sur des fibres enduites, les valeurs n varieront donc selon les différents revêtements. Les revêtements eux-mêmes n'ont pas de n-valeur, mais les données sur n-les valeurs pour les fibres avec des revêtements spécifiques peuvent être collectées et rapportées par les fournisseurs de revêtements.

Caractéristiques du revêtement et fibres spéciales

Quel est le paramètre le plus important dans le choix des matériaux de revêtement ? La réponse dépend du type de fibre que vous fabriquez et de son application. Les fabricants de fibres de télécommunications utilisent un système à deux couches optimisé pour un tirage à grande vitesse, une résistance élevée et des performances de microcourbure supérieures. En revanche, les fibres télécoms ne nécessitent pas un faible indice de réfraction.

Pour les fibres spéciales, les spécifications de revêtement varient considérablement selon le type de fibre et l'application. Dans certains cas, la résistance et les performances mécaniques—module élevé et n-valeur - sont plus importants que l'indice de réfraction. Pour d'autres fibres spéciales, l'indice de réfraction peut être le plus important. Vous trouverez ci-dessous quelques commentaires sur les considérations de revêtement pour des exemples sélectionnés de fibres spéciales.

Fibre dopée aux terres rares pour lasers à fibre
Dans certains lasers à fibre, le revêtement primaire sert de revêtement secondaire. L'objectif est de maximiser la quantité de puissance de pompe optique couplée à la fibre. Pour les lasers à fibre, la puissance de pompage lancée dans la gaine aide à stimuler la région de gain dans le cœur dopé de la fibre. Le revêtement à faible indice donne à la fibre une ouverture numérique (NA) plus élevée, ce qui signifie que la fibre peut accepter une plus grande puissance de pompage. Ces fibres « à double gaine » (DCF) ont souvent une gaine de verre hexagonale ou octogonale, puis une gaine secondaire ronde en polymère à bas indice. Le revêtement de verre est façonné par meulage des côtés plats sur la préforme, puis le revêtement à faible indice / revêtement secondaire est appliqué sur la tour d'étirage. Comme il s'agit d'un revêtement à faible indice, un revêtement extérieur plus dur est également nécessaire. Le revêtement extérieur à indice élevé aide la fibre à répondre aux exigences de résistance et de flexion

Fibres pour la distribution d'énergie
En plus des fibres dopées aux terres rares pour les lasers, il existe d'autres fibres spécialisées où un revêtement à faible indice peut servir de couche de revêtement et améliorer les performances optiques. Certains systèmes laser médicaux et industriels, par exemple, utilisent une fibre à gros cœur pour fournir la puissance laser, par exemple pour des interventions chirurgicales ou le traitement de matériaux. Comme avec les lasers à fibre dopée, le revêtement à faible indice sert à augmenter la NA de la fibre, permettant à la fibre d'accepter plus de puissance. Notez que les systèmes de livraison de fibre peuvent être utilisés avec de nombreux types de lasers - pas seulement des lasers à fibre dopée.

Fibres à maintien de polarisation. Les fibres PM représentent une classe avec plusieurs conceptions de fibres pour de multiples applications. Certaines fibres PM, par exemple, ont des dopants de terres rares pour les lasers à fibre. Ces boîtiers peuvent utiliser le revêtement à bas indice comme revêtement secondaire, comme décrit ci-dessus. D'autres fibres PM sont destinées à être enroulées en bobines serrées pour les gyroscopes, les hydrophones et autres capteurs. Dans ces cas, les revêtements peuvent devoir répondre à des exigences environnementales, telles que des plages de températures basses, ainsi qu'à des exigences de résistance et de microcourbure associées au processus d'enroulement.

Pour certains capteurs interférométriques tels que les gyroscopes, l'un des objectifs est de minimiser la diaphonie, c'est-à-dire de minimiser la quantité de puissance couplée d'un mode de polarisation à un autre. Dans une bobine enroulée, un revêtement souple permet d'éviter les problèmes de diaphonie et de microcourbure, de sorte qu'un revêtement primaire à faible module est spécifié. Un revêtement secondaire plus dur est spécifié pour traiter les risques mécaniques associés à l'enroulement des fibres. Pour certains capteurs, les fibres doivent être étroitement enroulées sous haute tension, de sorte que les exigences de résistance peuvent être critiques dans le revêtement secondaire.

Dans un autre boîtier en fibre PM, certains gyroscopes nécessitent des fibres de petit diamètre afin que davantage de fibres puissent être enroulées dans une « rondelle » compacte, un boîtier cylindrique. Dans ce cas, les fabricants de gyroscopes ont spécifié une fibre avec un diamètre extérieur (gaine) de 80 µm et un diamètre de revêtement de 110 µm. Pour y parvenir, un seul revêtement est utilisé, c'est-à-dire une seule couche. Ce revêtement doit donc équilibrer la douceur requise pour minimiser la diaphonie par rapport à la dureté nécessaire pour la protection.

D'autres considérations pour les fibres PM sont que les bobines de fibres sont souvent enrobées d'époxydes ou d'autres matériaux dans un emballage scellé. Cela peut imposer des exigences supplémentaires aux revêtements en termes de plage de température et de stabilité au contact d'autres produits chimiques.

Conclusion

L'idée d'un seul revêtement « parfait » pour tout type de fibre spécifique est peu probable, voire impossible. En pratique, les compositions de revêtement représentent des compromis entre divers paramètres, y compris l'indice de réfraction, le module, les performances de température et les exigences de la tour d'étirage. Pour répondre à l'ensemble des exigences, les fabricants de revêtements ont des programmes de R&D en cours pour améliorer les performances de leurs résines et atteindre un meilleur équilibre entre plusieurs paramètres.

Un axe majeur de la R&D sur les résines de revêtement ces dernières années a été la vitesse de durcissement, en particulier pour les fibres de télécommunication à grande vitesse d'étirage. Le développement de LED UV plutôt que de lampes UV à micro-ondes pour le durcissement a stimulé les travaux sur les résines optimisées pour les longueurs d'onde des LED. Ce développement offre aux fabricants de fibres des avantages prometteurs en termes de contrôle de température et d'économies d'énergie. D'autres domaines de R&D incluent les revêtements pour les nouveaux types de capteurs et les revêtements pour les fibres utilisées dans des environnements plus difficiles.

Les consultants en fibres de FOC ont une vaste expérience pour aider les fabricants de fibres à résoudre les problèmes de spécification et d'application des revêtements. Accompagnant cet article, le site Web de FOC contient une liste de 24 résines de revêtement que nous proposons, présentées dans un tableau avec leur viscosité, leur indice de réfraction et une brève description : MATRICE DE REVÊTEMENT OPTIQUE ÉPOXY FOC. Tous les 24 sont issus de la gamme de produits de revêtement DSM. Les 24 versions présentées incluent les offres de DSM pour les revêtements primaires et secondaires, ainsi que les résines pour les revêtements simples, les revêtements de fibres spécialisées et les applications de revêtement.