Brevet FR2500638A1 — publié le 19820827

CABLE A FIERES OPTIQUES La présente invention concerne un câble à fibres optiques compor- tant au moins un élément métallique. Elle a trait plus particulièrement à la prévention et à la localisation de ruptures ou de fissures dans un câble à fibres optiques en réponse à des sollicitations de traction. Bien que l'invention appartienne au domaine général des câbles terrestres ou sous-marins à fibres optiques, on se référera principalement dans la suite aux câbles sous-marins qui sont soumis à des contraintes considérables, dues à des pressions sous-marines élevées atteignant 6 à 8 da N/mm2. Il est connu que, lors de la pose ou du relevage d'un câble sous-marin, celui-ci est soumis à des contraintes de traction dont l'intensité dépend, entre autres, de la profondeur de l'océan à l'endroit de pose ou de relevage. Ces contraintes sont maximales dans la portion de câble proche de la surface de l'océan. Au cours d'une pose ou d'un rele\aege du cible par grand fond (6000 mètres), les contraintes se tra- duisent par des allongements locaux qui dépendent des caractéristiques du câble. Les voaleurs moyennes de ces allongements sont estimées à 0,3 et 1 pour cent respectivement pour des conditions de pose et de relevage classiques à partir d'un câblier. En outre, les mouvements du ,câbl ter dus à la houle peuvent provoquer des accroissements transi- toires de la tension du câble. Le calcul montre qu'il faut s'attendre à des allongements transitoires supplémentaires allant jusqu'à 0, 2% pour une pose ou un relevage par gros temps. En conséquence un câble sous-marin à fibres optiques doit suppor- ter des allongements supérieurs à 1 % sans que celà se traduise par une rupture ou une fragilisation des fibres optiques qu'il contient. Les structures connues de câbles sous-marins à fibres optiques sont d'ailleurs conçues de façon à minimiser les allongements, donc les contraintes subies par les fibres optiques lors de l'allongement du câble. Par ailleurs, on peut produire actuellement des longueurs de quelques kilomètres de fibres ayant des caractéristiques mécaniques relativement élevées, capables de supporter des allongements de l'ordre de 5%.; Néanmoins le problème de la fabrication industrielle de très grandes longueurs de fibres capables de supporter des allongements importants sans aucun risque de ruptures reste posé. Par exemple, les opérations dadéverminr en continu de ces grandes longueurs de fibres, destinées à tester leur résistance à la traction, pourront aussi bien produire une fragilisation indésirable de la fibre par croissance de fissures (sans rupture) au cours du test. L'éventualité d'une rupture de fibres dans le câble lors d'une opération de pose ou de relevage n'est donc pas exclue. Il peut aussi se produire une fragilisation des fibres - croissance de fissure sans rupture - due à un allongement local du câble trop important au cours de ces opérations. Les fibres d'un câble n'étant jamais totalement insoumises à des contraintes, le phénomène de fatigue statique - rupture à long terme de fibres sous faible contrainte par crois- sance lente des fissures - poura se produire préférentiellement aux en- droits o la câble a été surallongé et conduire à la rupture après coup de fibres dans le câble posé. En cas d'interruption de la transmission des signaux optiques con- voyés par une fibre optique de câble, suite à la rupture d'une fibre sans rupture du câble, il est nécessaire de disposer de moyens pour localiser d'endroit o cette rupture s'est produite en vue d'effectuer le relevage et la réparation de la portion de câble correspondante. Lorsque le câble est court et ne nécessite pas l'emploi de répéteurs, la cassure d'une fibre optique peut être localisée par un procédé de rétro- diffusion, comme divulgué dans le brevet français 2.280.072. Une impulsion lumineuse est émise dans la fibre par l'une des stations termi- nales du câble et est réfléchie par la cassure vers cette station. De la mesure du temps de propagation entre l'émission et la réception de l'im- pulsion lumineuse est déduite la distance entre la cassure et la station terminale. Par contre, lorsque le câble est long et comporte des répéteurs, un système de télélocalisation optique des ruptures de fibres exigerait *es structures de répéteurs d'une complexité sans intérêt en comparai- son des avantages présentés. Il faudrait prévoir dans chaque répéteur l'introduction de moyens de rétrodiffusion qui sont capables de tester chaque fibre optique à partir du répéteur, les informations obtenues étant ensuite transmises à la station terminale. La présente invention a donc pour but d'introduire dans un câble à fibres optiques de structure connue un élément ne faisant pas appel à la transmission de signaux optiques, présentant une caractéristique mécanique dont la variation est irréversible en réponse à une traction du câble provoquant la rupture d'une fibre optique et puisse être locali- sée par des moyens de mesure simples connus. A cette fin, un câble à fibres optiques comportant au moins un resp. plusieurs élément métallique est caractérisé en ce qu'il comprend urVconducteurs ayant un allongement à la rupture inférieur à ou de l'ordre de celui des fibres optiques. On sait que la plupart des câbles à fibres optiques, principalement les câbles sous-marins, comportent généralement plusieurs éléments métalliques qui forment la structure résistante du câble. L'allongement à la rupture de ces éléments est nettement supérieur à celui des fibres optiques, ce qui, en réponse à des sollicitations de traction, peut pro- voquer des fissures ou ruptures des fibres sans rupture du câble. Les éléments métalliques peuvent être par exemple des armatures incluses dans l'âme ou dans la gaine composite du cable ou constitués des fils toronnés ou une enveloppe métallique composant en partie l'âme ou la gaine du cible. La déformation du conducteur selon l'invention est irréversible, en ce sens que le conducteur joue le rôle d'un fusible mécanique et est rom pu au voisinage de la fissure ou de la rupture d'une fibre optique ayant été sollicitée par une force de traction supérieure à ou de l'ordre de celle correspondant à son allongement à la rupture. L'invention fait alors appel à des moyens connus de localisation de ruptures de conducteur dans un câble électrique classique. En effet, pour locali- -4- ser la rupture du conducteur selon l'invention et donc celle de la fibre optique, il suffit de mesurer au niveau de l'une des extrémités du câble la capacité du condensateur formé par le conducteur et par l'un des élé- ments métalliques du cable. Cette mesure est effectuée par exemple au moyen d'un pont de Thomson à résistances calibrées. Sachant par construction ou par mesure préalable la capacité linéique dudit condensateur, la distance entre le point de rupture de la fibre et la station terminale est directement déduite de la mesure de capacité. Lorsque le câble est long et comporte donc des répéteurs, la continuité électrique du conducteur et de l'élément métallique formant con- densateur de mesure est assurée par deux tronçons conducteurs qui sont insérés dans chaque bottier de répéteur et qui- sont respectivement re- liés au conducteur et 'à l'élément métallique des deux sections de câble adjacentes au répéteur. On notera que la rupture du conducteur selon l'invention permet de lo- caliser une rupture de fibres optiques, c'est- à-dire en fait une fissure interne au câble sans qu'il y ait rupture de celui-ci. Plusieurs tels con- ducteurs peuvent être insérés dans le câble afin de moyenner l'endroit de localisation d'une ou des ruptures d'une ou plusieurs fibres optiques. Plusieurs exemples préférés de structures connues de câbles à fibres optiques comprenant un conducteur selon l'invention sont maintenant décrits en référence aux dessins annexés correspondants, dans lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe d'un câ ble terrestre, à âme monobloc; - la Fig. 2 est une vue en coupe d'un câble terrestre -à âme coaxiale un fil métallique central; - la Fig. 3 est une demi-vue en coupe d'un câble sous-marin à gaine comprenant un toron tubulaire; - la Fig. 4 est une vue en coupe de l'âme d'un câbleà fibres optiques noyées dans un élastomère; - la Fig. 5 est une vue en coupe d'un câble sous-marinà toron résis- tant central; - la Fig. 6 est une vue en coupe d'une partie d'un cylindre rainuré de l'âme d'un câble; et - la Fig. 7 est une vue en coupe d'une rainure de l'âme d'un câble conte- nant uniquement un conducteur selon l'invention. Les structures connues des câbles à fibres optiques peuvent être classées en deux catégories selon que les éléments résistants métalli- ques du câble sont à la périphérie ou au centre de la structure. D'une manière générale, une structure de câble à fibres optiques est composée, en son centr-e, d'une âme 2 qui contient les fibres optiques équiréparties à sa périphérie, et d'une gaine composite protectrice 1 qui entoure l'âme centrale 2 et qui comprend plusieurs enveloppes pour partie métallique et pour partie isolante. Les structures de câble montrées aux Figs. 1 à 3 appartiennent à la première catégorie et sont déduites de celles divulguées par le brevet francçais 2.312.788, la demande de brevet français 2.288.318 et la demande de brevet britannique 2.021.282. Les structures selon les Figs. 1 et 2 sont destinées à des câbles terrestres tandis que celle de la Fig.3 est généralement destinée à un câble sous-marin. Dans ces trois structures, les éléments résistants sont inclus dans la gaine composite la, 1 b,1 c. Selon la Fig. 1, les éléments résis- tants sont des armatures métalliques longitudinales 10a qui sont équi- réparties circulairement et noyées dans une enveloppe isolante 1 la entourant l'âme centrale 2a. Selon la Fig. 2, les éléments résistants b sont des conducteurs électriques/qui sont entourés chacun d'une gaine isolante 1 2b et qui entourent l'âme centrale 2b à travers une enveloppe ou guipage en matière synthétique 1 3b. Certains conducteurs 1 Ob peuvent transmettre le courant de téléalimentation aux répéteurs du câble. Selon la Fig. 3, les éléments résistants sont constitués par plusieurs couches tubulaires de fils d'acier hélicotdaux 10 Oc qui peuvent 8tre noyés dans une enveloppe isolante 11 c entourant l'âme centrale 2c ou qui peuvent former un tube résistant entre l'âme 2c et une enveloppe isolante 11 c. Souvent le tube résistant de fils 10Ob, 1 Oc est entouré par une enveloppe tubulaire mince 1l4b, resp. 14c, qui est métallique. Selon l'invention, un ou plusieurs des éléments métalliques 10a lob, 14b; 1Oc, 14c de la gaine composite la; lb; lc constituent un ou plusieurs conducteurs ayant un allongement à la rupture inférieur à ou de l'ordre de celui des fibres optiques 3a; 3b; 3c, respectivement. L'âme centrale est constituée principalement par un cylindre rainuré 20a, 20b, 20c, comme montré aux Figs. 1, 2, 3. Chaque rainure 21a, 21 b, 21 cest généralement hélicordale et pratiquée à la périphérie externe du cylindre. Une ou plusieurs fibres optiques Sa, 3b, 3c peuvent être allongées dans chaque rainure. Selon les Figs. 1 et 3, le cylindre 20a, 20c illustré est plein et peut être en matière isolante, telle que de la matière plastique, ou métallique. De préférence, lorsque le cylindre est en plastique, le cylindre est renforcé par des armatures métalliques, telles que lO 22a (Fig.1), qui sont équiréparties autour du centre du cylindre. Lorsque le cylindre est métallique, il peut être prévu une ou plusieurs armatures 22c (Fig.3) qui sont enrobées chacune dans une gaine isolante 23c. Comme montré à la Fig. 2, le cylindre rainuré 20b est creux et les rainures 21 b peuvent être obtenues par usinage ou par la juxtaposi- tion circulaire de rubans pliés en U ou en V, comme décrit par exemple dans la demande de brevet britannique 2. 001.777. Le cylindre 20b est coaxial à un fil métallique central 22b qui peut être entouré d'une gaine isolante et qui est prqpre, dans certaines réalisations, à transmet- tre le courant de téléalimentation des répéteurs. Selon l'invention, au moins l'un des éléments 22a, 22b, 22c de l'âme 2a, 2b, 2c constitue un conducteur ayant un allongement à la rupture inférieur à ou de l'ordre de cecui des fibres optiques Sa, 3b, 3c, respectivement. Toujours dans le cadre de la première catégorie, le cylindre 20c de la Fig. 3 peut être remplacé par un tube en matière synthétique étan- che renfermant un liquide hydrophobique ou visqueux dans lequel sont noyées les fibres optiques, comme divulgué dans la demande de brevet britannique 2.021.282. L'âme centrale, telle que 2d montrée à la Fig. 4, peut également comprendre une couche d'élastomère tubulaire 20d qui entoure un fil d'acier central 22d et qui est entourée par un tube nylon mince 24d, comme divulgué dans l'Article de F.F. Gleason, R.C. Mondello, B.W. Fellows et D.A. Hadfield, Proceeding of the 27 International Wire and Cable Symposium, Cherry Hill, New-York, U.S.A., 14-16 novembre 1978, pages 385 à 389. La couche d'élasto- mère 20d renferme en son milieu des fibres optiques 3d. Selon l'invention, dans le liquide hydrophobique ou visqueux ou dans la couche d'élastomère peuvent être noyés un ou plusieurs conducteurs, tel que 25d, dont l'allongement à la rupture est inférieur à ou de l'ordre de celui des fibres optiques 3d. Cependant, un conduc- teur avec un tel allongement peut constituer le fil central 22d. Un tel conducteur peut également constituer l'enveloppe tubulaire externe 24d de l'âme 2d. La seconde catégorie de structure est montrée à la Fig. 5, en accord avec la demande de brevet français No. 79-22850 déposée le 22 novembre 1979. Les éléments résistants constituent l'âme centrale 2e du câble. Cette âme comprend un toron central de fils d'acier hélicof- daux 22e qui est entouré par un tube métallique 20e à rainures héli- coitales 21 e qui contiennent chacune une ou plusieurs fibres optiques 3e. La gaine composite 1 e du câble de la Fig. 5 est composée, en outre, d'un feuillard interne métallique 13e, de préférence très résis- tant pour un câble sous-marin, qui ferme les rainures 21 e et d'une seconde enveloppe 14e qui entoure le feuillard 13e par l'intermédiaire d'une enveloppe isolante 1 1e. Selon l'invention, au moins l'un des fils du toron 20e et/ou au moins l'une des enveloppes métalliques 13e, 14e peut être en un maté- riau conducteur dont l'allongement à la rupture est inférieur à ou de l'ordre de celui des fibres optiques 3e. On notera que, de préférence, un conducteur selon l'invention doit être inséré au niveau de l'enveloppe contenant les fibres optiques, comme celui 25d rrmtré à la Fig. 4, afin que ce conducteur subisse des contraintes quasiment égales à celles que subissent les fibres opti- ques. Aussi, lorsque l'âme du cble 1 comporte des rainures 21, au moins l'une des rainures ou, de préférence, chaque rainure 21 contient un conducteur 25, comme montré à la Fig. 6. Le conducteur 25 est entouré par une gaine 26 qui est noyée, comme les fibres 3, dans un gel, graisse, agent gonflant ou analogue 27. De préférence, le produit -8- visqueux 27 emplit au moins le fond 28 des rainures sans que celui-ci soit au contact de l'enveloppe externe 11, resp. 13 de la gaine composite 1 fermant les rainures 21 afin que les contraintes exercées sur l'enveloppe externe ne soient pas communiquées aux fibres optiques. Selon l'invention, la gaine 26 est en matériau ayant une résistance à la compression rela- tivement élevée, de préférence à base de polypropylène ou de polyéthylène haute densité. Cependant, afin que la capacité linéique entre un conduc- teur électrique 25 et un élément métallique inclus initiale- ment dans le cable, tel que celui 20 à la Fig. 6, soit facile- ment déterminable, c'est-à-dire soit sensiblement constante en pratique, il est préférable que le conducteur 25 soit fixé à la paroi de la rainure 21, par exemple par collage et de préférence au fond 28 de la rainure, comme montré à la Fig. 6. Cette fixation peut être également réalisée par encastrement et éventuellement collage du conducteur 25 dans une rainure 21, comme montré à la Fig. 7. Dans ce dernier cas le conduc- teur 25 a un diamètre pratiquement égal à la largeur de la rainure et n'est toujours pas en contact avec l'enveloppe 11 ou 13 fermant les rainures; la rainure considérée ne contient pas de fibres optiques. Comme déjà dit, un conducteur selon l'invention doit pré- senter un allongement à la rupture de l'ordre de celui des fibres optiques. En d'autres termes, cet allongement doit être toujours inférieur aux éléments métalliques constituant le porteur résistant du cable et peut être inférieur ou sensible- ment égal à celui des fibres optiques. A titre d'exemples non limitatifs, un conducteur selon l'invention, peut être en l'un des matériaux à composition normalisée, indiqués dans le ta- bleau suivant, relativement à des fibres optiques ayant des allongements à la rupture de l'ordre de 1 % à 7 %. - 9 - Allonqement à la rupture Cuivre laminé dur (taux d'écrouissage > 50%/) Laiton en ,I I I I! fils I Il lu il nuance Ie i fi Il Bronze en fils nuance Laiton en Laiton en fils fils nuance nuance Alliage d'aluminium I, e t le il il en Alliage d'aluminium en fils si Il.. Ig gl si.l of dur à 40%/ de zinc du type "û " 36% " l f Il 33% i l " 15% " l" "10% " " dur à 5% d'étain et 4% de zinc du type dur à 13% de zinc du type dur à 38% de zinc et 1% de plomb di type fils nuance dur du type .I .. nuance dur du type il l U-Z40 U-Z36 U-Z33 -- 1% U-Z15 U-ZlO0 U-E5Z4 2 1% U-Z13 - 5% U-Z38 1b1l-8% 5005 C 2% 1050A ' 3% 1080A Alliage d'aluminium laminé dur à 99%/ d'aluminium c_ 7% Enfin il sera noté que rentrent dans le cadre de la présente invention toutes structures de cable à fibres optiques résultant de combinaison des structures décrites ci-dessus. De telles structures combinées appartiennent au domaine défini par les revendications annexées. Matériau - 10 - R E V E N D I C A T IONS 1 - Câble à fibres optiques comprenant au moins un élément métallique, caractérisé en ce qu'il comprend un, resp. plusieurs conducteurs ayant un allongement à la rupture inférieur à ou de l'ordre de celui des fibres optiques (3). 2 - Câble conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'un des conducteurs constitue l'élément métallique central (22b, 22d) du dcâble. 3 - Câble conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'un ou certains des conducteurs constituent une ou plusieurs armatures métalliques (22a, lOa) noyées dans l'élé- ment central (2a), ou dans l'élément porteur (20) des fibres de l'âme du câble, ou dans une enveloppe (lla, llc) composant la gaine (1) du câble. 4 - Cable conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'un ou certains des conducteurs constituent un tube (13b, 14b, 14c, 24d, 13e, 14e) de l'âme (2) et/ou de la gaine (1) du cable. - Clble conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'un ou certains conducteurs constituent un ou des fils (lob, 10c, 22e) du toron central ou du toron entourant l'âme du câble. 6 - Câble conforme à l'une des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce que l'un ou certains des conducteurs (25d) sont noyés dans un produit hydrophobique ou dans un produit visqueux ou dans un élastomère (20d) dans lequel sont noyées les fibres optiques (3d). 7 - Câble conforme à l'une des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce qu'au moins une rainure (21) du cylindre rainuré (20) de l'âme (2, Fig 6) du câble contient au moins l'un des- dits conducteurs (25). -11- 8 - Câble conforme à la revendication 7, caractérisé en ce qu'un conducteur (25, Fig 6) contenu dans une rainure (21) est noyé dans un produit visqueux, gel, graisse, agent gonflant ou analogue (27) qui emplit au moins le fond 28 de la rainure et dans lequel est noyée au moins une fibre optique (3). 9 - Câble conforme à la revendication 7, caractérisé en ce qu'un conducteur (25, Fig. 7) contenu dans une rainure (21) est encastré dans la rainure. - C&ble conforme à l'une des revendications 7 à 9, carac- térisé en ce qu'un conducteur (25) contenu dans une rainure (21) est logé au fond (28) de la rainure. 11 - Câble conforme à l'une des revendications 7 à 10 carac- térisé en ce qu'un conducteur (25) contenu dans une rainure (21) est fixé, tel que par collage,sur la paroi de la rainure. 12 - CSble conforme à l'une des revendications 1 à 11, ca- ractérisé en ce qu'au moins l'un des conducteurs (lOb;25) est entouré d'une gaine isolante (12b;26). 13 - C&ble conforme à la revendication 12, caractérisé en ce que la gaine(12b, 26) est à base de polypropylène ou de polyéthylène haute densité. 14 - Câble conforme à l'une des revendications 1 à 13 com- portant des répéteurs, caractérisé en ce que chaque répéteur comporte deux, resp. plusieurs tronçons conducteurs qui relient l'élément métallique et le, resp. les conducteurs des deux sections de câble adjacentes au répéteur. - Cable conforme à l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'au moins l'un des conducteurs est ou en cuivre dur, ou en laiton dur pouvant contenir du plomb, ou en bronze dur pouvant contenir du zinc, ou en alliage d'aluminium dur.