Brevet FR2471614A1 — publié le 19810619

La présente invention concerne les guides d'ondes à fibre optique formés d'une matière vitreuse ou comprenant au moins une âme de matière vitreus-e le long de laquelle des radiations se propagent en cours d'utilisation et portant un revêtement protecteur d'une matière à base de résine synthétique. L'invention concerne plus précisément des fibres optiques à couche tampon ainsi que la fa- brication de ces fibres et des câbles contenant de telles fibres à couche tampon. Un type de revêtement protecteur quson a déjà proposéd'appliquer sur des-fibres optiques formées de verre ou de silice vitreuse est formé d'une couche tampon de résine relativement molle, appliquée directement à la surface de la fibre de matière vitreuse, et une gaine externe d'une résine plus dure qui est extrudée sur la couche tampon. Ce type de revêtement assure une protection particulibrement efficace de la fibre de matière vitreuse contre les détériorations de la surface et les déformations, notamment dues à des petits coudes, qui pourraient provoquer des pertes optiques lors du fonctionnement de la fibre.En outre, la présence d'une couche tampon augmente la résistance mécanique de la fibre portant la gaine, par rapport à celle d'une fibre ayant une couche protectrice de résine dure seulement, bien que la gaine dure facilite la manipulation de la fibre à couche tampon au cours des opérations de fabrication de câbles. Un autre avantage est qu'on peut utiliser, aussi bien pour la couche tampon que pour la gaine, des résines qui peuvent supporter des températures élevées, par exemple utilisée pour la vulcanisation d'une matière isolante d'un câble. Cependant, au cours de la fabrication d'une fibre optique à couche tampon et à gaine du type décrit pré cédemment, des difficultés apparaissent lors de la manutention de la fibre portant une couche tampon molle en vue de l'extrusion de la gaine par dessus, car la résine de la couche tampon est facilement déformable et est collante. L'invention concerne une fibre optique à couche tampon de type perfectionné qui possède les propriétés avantageuses indiquées et qui ne présente pas la difficulté précitée au cours de sa fabrication. Selon l'invention, dans une fibre optique à couche tampon comportant une fibre de matière vitreuse et un revêtement protecteur de résine, ce revêtement est formé de trois éléments qui comprennent d'abord une couche tampon d'une résine relativement molle, comme décrit précédemment, appliquée directement à la surface de la fibre de matiere vitreuse, puis une couche d'armature formée d'une résine ayant une dureté plus élevée et un coefficient de frottement plus faible que la résine de la couche tampon, cette couche d'armature étant appliquée directement sur la couche tampon, puis une gaine externe formée d'une résine ré- sistant à l'abrasion, extrudée sur la couche d'armature et en contact intime avec celle-ci. La fibre optique peut former un guide d'ondes optiques de type monomode ou multimode, et elle est avantageusement formée de silice vitreuse contenant une ou plusieurs matières de dopage destinées à modifier l'indice de réfraction de la silice, la matière de dopage étant répartie soit de manière que la fibre ait un. indice de réfraction variant progressivement soit de manière qu'elle forme une âme et un revêtement ayant des indices différents si bien que la fibre a un indice de réfraction variant par paliers. Dans une variante, la fibre de matière vitreuse peut former l'âme de propagation des radiations d'un guide d'ondes du type qui comprend une âme de matière vitreuse et une gaine de résine synthétique : dans ce cas, cette gaine peut être constituée par la couche tampon du revêtement protecteur. L'expression 11résine relativement molle" utilisée en référence à la couche tampon, désigne le fait que la résine est facilement déformable et peut donc protéger la fibre optique contre les déformations dues à une pression appliquée extérieurement, les matièrés qui conviennent pour la formation de la couche tampon étant les résines de si licone. L'épaisseur de la couche tampon n'est pas primordiale et elle est habituellement comprise entre 30 et 60 microns. Des matières convenant à la formation de la couche d'armature sont notamment les résines d'acétal polyvinylique tel que le butyral polyvinylique ou le formal polyvinylique, et les polymères fluorés tels que le fluorure de polyvinylidène ou le copolymère de vinylidène et de tétrafluoréthylène. Le rôle de la couche d'armature est de former, pour la couche tampon, une surface dure et à faible coefficient de frottement, facilitant l'extrusion de la gaine externe sur la couche tampon : en conséquence, la couche d'armature peut etre beuacoup plus mince que la couche tampon, une simple couche de 5 microns d'épaisseur étant suffisante, bien que plusieurs couches minces puissent être appliqués le cas échéant. La gaine externe extrudée est par exemple formée de polyéthylène, de "Nylon" amorphe ou d'un polyester qui peut être traité à l'état fondu. La gaine peut avoir l'épaisseur nécessaire pour que la fibre optique revêtue ait le diamètre global voulu, par exemple compris entre 0,3 et 1,5 mm ou plus le cas échéant, pour une construction particulière de câble. Au cours de la fabrication d'une fibre optique à couche tampon selon l'invention, la couche tampon et la couche d'armature sont appliquées chacune à la fibre alors qu'elles sont liquides, et la fibre revêtue est chauffée après chaque application afin que le revêtement de résine polymérise, cette opération étant avantageusement mise en oeuvre de façon continue pendant l'opération d'étirage de la fibre.Ainsi, un procédé avantageux de fabrication continue d'une telle fibre optique à couche tampon comprend l'étirage d'une fibre en direction verticale et vers le bas, à partir d'une masse vitreuse ramollie par la chaleur, par exemple une tige d'ébauche, ayant la composition et la structure voulue pour la fibre optique, la circulation directe de la fibre étirée, sans qu'elle vienne d'abord au contact d'une surface solide quelconque, dans un bain d'une résine liquide, afin qu'un premier revêtement de résine soit appliqué, et dans un dispositif de réglage de l'épaisseur de ce revêtement de résine ainsi appliqué à la fibre, puis la circulation de la fibre revêtue successivement dans-un dispositif de chauffage-provoquant la poly mérisation du premier revêtement de résine avec formation de la couche tampon, un dispositif d'application d'un second revêtement d'une résine liquide, un dispositif de reglage de l'épaisseur du second revêtement~de résine, et un dispositif de chauffage destiné à provoquer-la polymérisation du second revêtement de résine et la formation de la couche d'armature. La fibre revêtue peut alors parvenir directement à une extrudeuse ou boudineuse permettant l'application de la gaine externe ou la fibre revêtue peut être. enroulée sur un tambour, la gaine étant extrudée au cours d'une opération ultérieure. Le cas échéant, plusieurs épaisseurs de résine formant la couche d'armature peuvent être appliquées, par circulation de la fibre revêtue de la couche tampon, dans une série de dispositifs convenables de revêtement et de polymérisation de résine. I1 faut noter que l'expression "résine liquide" désignant la matière dans laquelle la fibre circule lors de l'application de la couche tampon et de la couche d'armature peut être dans chaque cas soit un monomère, soit un polymère à l'état liquide, soit une solution, soit une suspension de la résine dans un liquide convenable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - les figures 1 à 4 sont des coupes agrandies représentant quatre exemples différents de câbles traînés dans des mines et comprenant à la fois des conducteurs électriques et des fibres optiques ; et - la figure 5 est une coupe agrandie d'un-câble optique entièrement diélectrique. On considère d'abord un exemple particulier de fibre optique à couche tampon selon l'invention, ainsi que son procédé de fabrication, dans l'exemple 1. EXEMPLE 1 La fibre optique de cet exemple est formée de silice contenant une matière de dopage à une concentration qui varie radialement dans la fibre afin que l'indice de réfraction varie progressivement, le diamètre de la fibre étant de 120 microns. Elle porte un revêtement protecteur qui comprend une couche tampon de résine de silicone, de préférence "Sylgard 184" de 30 microns d'épaisseur, une couche d'armature d'environ 5 microns d'épaisseur, formée d'une résine de fluorure de polyvinylidène "Kynar", et une gaine externe formée d'une résine polyester "Hytrel" d'épaisseur convenant à l'obtention du diamètre global voulu pour la fibre revêtue, suivant la construction du câble dans lequel la fibre doit être incorporée.Les fibres optiques à couche tampon de ce type sont représentées en détail sur la figure 5 des dessins annexés, la fibre de silice, la couche tampon, la couche d'armature et la couche externe portant respectivement les références 56, 57, 58 et 59. Au cours de la fabrication de la fibre optique à couche tampon de cet exemple, la fibre de silice est étirée à partir d'une tige d'ébauche, préparéede manière connue par dépôt chimique en phase vapeur de silice dopée, dans le trou d'un tube de support de silice, puis par affaissement du tube. L'etirage de la fibre est réalisé par avance de la tige d'ébauche dans un élément tubulaire de four placé verticalement et maintenu à une température de 20000C, dans un courant d'argon, la fibre étant étirée verticalement vers le bas à partir de l'extrémité inférieure de la tige.La fibre étirée, avant tout contact avec une surface qui pourrait provoquer une détérioration ou une contamination, descend verticalement immédiatement dans un bain de résine liquide de silicone, mélangée à 10 % de son poids d'un durcisseur convenable, placée dans un récipient ayant une filière au centre de sa base, la filière ayant une conicité d'angle au sommet égal à 12C avantageusement, et une ouverture de sortie de diamètre convenant au réglage de la quantité de résine liquide retenue sur la fibre qui donne l'épaisseur voulue à la couche tampon après polymérisation. La fibre revêtue passe alors dans un four vertical de 0,5 m de-longueur, maintenu à une température maximale de 5000C afin que la résine polymérise.Le cas échéant, la fibre peut alors passer dans un second four d'un mètre de longueur, ayant une température maximale de 1500C, afin que la polymérisation soit bien achevée. La fibre portant la couche tampon passe alors sur une poulie de guidage qui fait passer sa direction de déplacement de la verticale à l'horizontale, et elle reçoit une solution de poudre "Kynar" dans de l'acétone. La solution de résine-est appliquée sur la fibre par passage sur une poulie ayant une gorge périphérique en V dans laquelle la solution de résine est introduite goutte à goutte de façon continue si bien que la fibre se revêt de la solution sans venir au contact de la surface de la poulie. L'excès de liquide est retiré par passage de la fibre dans une filière qui laisse le mince revêtement nécessaire, et l'évaporation du solvant et la polymérisation de la résine sont assurées par circulation de la fibre dans un four de 1 m de longueur à une température de 2500C. Une vitesse convenable d'avance dans l'ensemble de l'appareillage de revêtement et de polymérisation, pour les longueurs et températures de four indiquees precedem- ment, est de 1 m/s. La fibre passe ensuite dans une extrudeuse qui la revêt d'une gaine tubulaire de "Hytrel" qui la serre étroitement. I1 faut noter que la couche dure d'armature de "Kynar" rend possible le stockage de la fibre le cas échéant, pendant un certain temps, avant application de la gaine externe, et elle facilite la manutention de la fibre pendant l'opération d'extrusion. Le revêtement combiné formé par la couche tampon, la couche d'armature et la gaine assure une excellente protection de la fibre de matière vitreuse contre la détériorations et les déformations, même dans des conditions sévères de manutention et d'utilisation, et il donne une excellente résistance mécanique à l'ensemble de la fibre et de son revêtement.En outre, toutes les résines utilisees dans la fibre de cet exemple qui porte la couche tampon peuvent supporter des températures élevées pendant un temps suffisant pour qu'un câble contenant la fibre puisse être soumis à une opération de vulcanisation, sans que le revêtement de la fibre présente aucune détérioration. La présence de la couche dure d'armature présente l'avantage supplémentaire de faciliter l'enlèvement de la gaine externe, le cas échéant, par exemple pour la formation de connexions entre deux tronçons de fibre optique ou de câble. Les fibres optiques à couche tampon selon lgin- vention peuvent être utilisées dans toute forme de câble ayant une ou plusieurs fibres optiques, avec ou sans conducteur électrique supplémentaire, et elles conviennent particulièrement bien dans les câbles qui doivent supporter une vulcanisation et/ou qui peuvent subir des conditions difficiles d'utilisation, par exemple dans les câbles qui sont posés dans les mines. Les exemples 2 à 6 concernent quelques types particuliers de câble optique dans lesquels les fibres optiques à couche tampon selon l'invention peuvent être avantageusement utilisées. EXEMPLE 2 Le câble représenté sur la figure 1 comprend trois éléments conducteurs électriques 1, 2 et 3 et un élé- ment 4 de transmission optique, comprenant un conducteur électrique supplémentaire, ces quatre éléments étant tor sadés autour d'un faisceau 5 de fils qui forment un conducteur de masse et est placé dans la région axiale du câble. La structure ainsi formée est logée -dans une enveloppe 6 de matière élastomère.Chacun des éléments- 1, 2, 3 comprend une âme 7 de transmission d'énergie formée d'un ensemble torsadé de"faisceaux de fils eux-mêmes tor salés, couvert par une couche interne 8 d'une matière élastomère isolante et une couche externe 9 formée par une tresse contenant des brins de fil destinés à former un blindage mis à la masse. L'élement 4 de transmission optique comprend quatre fibres optiques ayant chacune une seule fibre 10 portant un revêtement 11 de resine qui comprend luimême une couche tampon, une couche d'armature et une gaine externe comme décrit en référence à Sl'exemple 1 qui précède, ou formée d'autres résines convenables-comme indiqué précédemment ; ces fibres optiques à couche tampon qui ont chacune un diamètre total de 1,6 mm, sont enroulées en helice autour d'un mandrin formé par une âme 12 de guidage qui comprend des faisceaux torsadés de fils et une couche 13 d'une matière élastomère d'isolation. Le diamètre du mandrin est de 6 à 7 mm, et le pas des spires des fibres est de 25 mm. L'âme 12 a la même construction que les âmes 7 mais un plus petit diamètre. L'ensemble des fibres optiques à couche tampon est revêtu par un manchon 14 qui peut être formé par un enroulement d'un ruban d'une étoffe imprégnée de résine ou d'une feuille de polyester ou qui peut être un tube extrudé de matière élastomère, et le manchon est couvert par une couche supplémentaire 15 de matière élas tomère afin que l'élément ait un diamètre égal à celui des éléments 1, 2 et 3. Dans un exemple particulier de câble du type représenté sur la figure 1, les âmes 7 et 12 et le conducteur 5 de masse sont tous formés de fins fils de cuivre étamé, les couches 8 et 13 d'isolement étant formées de caoutchouc d'éthylène-propylène ou de polyéthylène chlorosulfoné, la couche 15 et l'enveloppe 6 étant formées de polychloroprène alors que la tresse formant les couches 9 est formée de fils de cuivre étamé et de filaments de 'nylon", toutes les matières élastomères étant vulcanisées. EXEMPLE 3 Dans le câble représenté sur la figure 2, un élément 16 de transmission optique est placé le long de la région axiale du câble et il est entouré par un ensemble de cinq éléments conducteurs électriques 17 à 21 qui sont torsadés, l'ensemble de la structure étant enrobé par une enveloppe élastomère 22. Chacun des éléments 17, 18 et 19 comporte une âme 23 de transmission d'énergie couverte par une couche 24 d'isolement élastomère et par une tresse 25 formant. un blindage métallique mis à la masse. L'élément 20 comporte une âme 26 de guidage couverte par une couche 27 de matière élastomère d'isolement et par une couche supplémentaire 28 de matière élastomère donnant le diamètre voulu. L'élément 21 comporte une âme 29 destinée à être mise à la masse, couverte par une couche élastomère 30 d'isolement et une couche élastomère 31 de mise au dia metre.Les âmes de tous les éléments sont formées de fils métalliques tels que le cuivre étamé, et ont une construction analogue à celle des âmes décrites en référence à la figure 1 ; les couches d'isolement, les couches de mise au diamètre, la tresse et l'enveloppe peuventêtre formées des mêmes matières que les couches correspondantes décrites en référence à la figure 1. L'élément 16 de transmission optique de la figure Z comporte quatre fibres 32 à couche tampon comme décrit dans l'exemple, torsadées autour d'un mandrin 33 qui peut être formé en totalité d'une matière élastomère ou qui peut contenir une âme conductrice le cas échéant et qui est recouvert par un manchon 34 formé d'un ruban d'étoffe imprégnée de résine, d'un ruban polyester ou d'un tube extrudé de matière élastomère. Les interstices entre le manchon et les éléments conducteurs 17 à 21 sont remplis d'une matière convenable 35 qui est de préférence elle-même élastomère. EXEMPLE 4 Le câble représenté sur la figure 3 comprend encore cinq éléments torsadés autour d'un organe axial 36 qui est avantageusement formé de caoutchouc naturel ou synthétique ou le cas échéant qui peut comporter une âme conductrice isolée supplémentaire, l'ensemble de la structure étant enrobé dans une enveloppe élastomère 37. Les éléments torsadés comprennent trois âmes isolées 38, 39, 40 de transmission d'énergie ayant la même construction que les éléments 17, 18 et 19 de la figure 2, une âme iso lée 41 de masse ayant la même construction que l'élément 21 de la figure 2, et un élément 42 de transmission optique ayant la même construction que l'élément 4 de la figure 1 comprenant une âme isolée 43 de guidage comme mandrin.Les matières des couches de revêtement des âmes conductrices et de l'enveloppe peuvent être les mêmes que celles qu'on a indiquées en référence à la figure 1, et toutes les âmes conductrices sont formées d'ensembles torsadés de fils de cuivre étamé. EXEMPLE 5 Le câble représenté sur la figure 4 comprend un conducteur axial 44 de masse entouré par un ensemble torsadé de trois éléments conducteurs de l'électricité 45, 46, 47 et d'un élément de transmission optique 48. Chacun des éléments 45, 46 et 47 comporte une âme 49 de transmission d'énergie, gainée par une couche 50 d'isolement élastomère avantageusement de caoutchouc d'éthylène-propylène ou de polyéthylène chlorosulfoné, et une couche externe 51 d'un élastomère semi-conducteur. L'élément 48 de transmission optique a une construction analogue à celle de l'élément 4 de la figure 1 et comprend quatre fibres optiques à couche tampon selon l'invention, torsadées autour d'un mandrin sous forme d'une âme isolée 52 de guidage, mais l'élément a une couche externe 53 de revêtement d'un élastomère semiconducteur.Les éléments 45, 46, 47 et 48 sont partiellement enrobés dans un berceau semi-conducteur 54 dans lequel le conducteur 44 de masse est aussi enrobé, et le câble est terminé par une enveloppe 55 avantageusement formée de polychloroprène. Les couches externes 51 et 53 des élé- ments 45, 46, 47 et 48 et le berceau 54 sont avantageusement formés de caoutchouc chargé de carbone, et toutes les âmes 44, 49 et 52 sont formées de fils torsadés de cuivre étamé. EXEMPLE 6 Le câble de la figure 5 comprend un ensemble de trois fibres optiques 56 à couche tampon selon l'invention, la couche tampon, la couche d'armature et la gaine externe portant les références 57, 58 et 59 respectivement, et trois organes allongés 60, les fibres et les organes 60 étant torsadés autour d'un organe central 61, les organes 60 et 61 étant destines à accroître la résistance mécanique. Chacun des organes 60 et 61 comportent des fils torsadés de polyamide aromatique, imprégnésd'une résine acrylique, afin que chaque filament individuel des fils soit revêtu de résine, l'ensemble étant enrobé dans un manchon extrudé 62 de "Nylon" amorphe. Les fibres optiques à couche tampon et les organes d'armature 60 et 61 ont tous le même diamètre global, avantageusement compris entre 1,5 et 1,7 mm. L'ensemble des fibres à couche tampon et des organes d'armature est entouré par une enveloppe externe extrudée 63 de polyéthylène de 1,0 mm d'épaisseur. REVENDICATIONS 1. Fibre optique à couche tampon, du type qui comprend une fibre de matière vitreuse portant un revêtement protecteur de résine synthétique, ladite fibre étant caractérisée en ce que le revêtement comprend trois éléments, premièrement une couche tampon (57) d'une résine relativement molle, appliquée directement à la surface de la fibre de matière vitreuse, deuxièmement une couche (58) d'armature formée d'une résine ayant une dureté plus élevée et un coefficient de frottement plus faible que la résine de la couche tampon, la couche d'armature étant appliquée directement sur la couche tampon (57), et troisièmement une gaine externe (59) d'une résine résistant à l'abrassion, extrudée sur la couche d'armature (58) et en contact intime avec celle-ci. 2. Fibre selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche tampon (57) est formée d'une résine de silicone. 3. Fibre selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la couche d'armature (58) est formée d'une résine d'acétal polyvinylique ou d'un polymère fluoré. 4. Fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la gaine externe (59) est formée d'une matière choisie dans le groupe qui comprend le polyéthylène, le "Nylon" amorphe et les polyesters qui peuvent être traités à l'état fondu. 5. Fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche tampon (57) est comprise entre 30 et 60 microns, et l'épaisseur de la-couche d'armature (58) est de l'ordre de 5 microns. 6. Procédé de fabrication d'une fibre optique à couche tampon selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, du type qui comprend l'étirage d'une fibre optique de matière vitreuse en direction verticale descendante à partir d'un corps vitreux ramolli par la chaleur, la circulation directe de la fibre étirée dans un bain de résine liquide afin qu'un revêtement de résine soit appliqué sur la fibre, puis dans un dispositif de réglage de l'épaisseur de la couche de résine appliquée et dans un dispositif de chauffage provoquant la polymérisation du revêtement de résine, et l'extrusion d'une gaine externe de résine résistant à l'abrasion sur la fibre revêtue, ledit procédé étant caractérisé en ce que, après application et polymé- risation d'un premier revêtement de résine qui constitue la couche tampon, la fibre revêtue passe dans un dispositif d'application d'un second revêtement de résine liquide, dans un dispositif de réglage de l'épaisseur du second revêtement de résine, et dans un dispositif de chauffage destiné à polymériser le second revêtement de résine afin qu'il forme la couche d'armature, et la gaine externe est extrudée ensuite sur la couche d'armature. 7. Câble optique, caractérisé en ce qu'il comprend une ou plusieurs fibres optiques à couche tampon selon quelconque des revendications 1 à 5.