Brevet FR2541782A1 — publié le 19840831

La présente invention concerne un câble de télé- communications sous-marin contenant des fibres optiques et un procédé de fabrication d'un tel câble de télécommunications. On a fabriqué des câbles de télécommunications sous-marins coaxiaux pour des systèmes de télécommunications analogiques -On a fabriqué ces câbles de façon qu'ils supportent un certain nombre de facteurs d'environnement évidents, comme une basse température, une pression de com- pression élevée et la présence d'eau corrosive On a en outre fabriqué les câbles sous-marins de façon qu'ils supportent les efforts de traction et de flexion élevés qui apparaissent pendant les opérations de pose et de récupéra- tion des câbles. Des progrès recents dans le domaine de la techno- logie des télécommunications par fibres optiques ont permis de réaliser des systèmes pratiques de télécommunications par fibres optiques Les caractéristiques de ces systèmes, comme le format numérique, la grande largeur de bande et le grand écartement entre répéteurs, conduisent à un coût relativement faible par kilomètre de canal Ce faible coût potentiel fait qu'un câble de télécommunications sous-marin contenant des fibres optiques constitue une solution de remplacement intéressante pour les câbles de télécommunications coaxiaux analogiques actuels - Un câble sous-marin contenant des fibres optiques a été décrit précédemment dans le brevet US 4 156 104 Un tel câble comporte des fils d'acier toronnés séparés d'un filament central par une âme dans laquelle les fibres sont noyées. Un problème apparaît dans la fabrication d'un câble contenant des fibres optiques pour l'utilisation dans un système de télécommunications sous-marin L'atténuation mesurée des fibres optiques incorporées dans le câble dépend de la déformation du câble Toute fluctuation élevée de la déformation du câble pendant la fabrication, la mise en place ou l'exploitation du système à câble complique les processus de mise en service, d'alignement et d'exploitation du système de télécommunications sous-marin. On résout ce problème en fabriquant un câble à fibres optiques par les opérations suivantes On revêt avec un adhésif une âme de câble contenant des fibres optiques. On enroule une couche de fil d'acier autour de l'adhésif, sur l'âme du câble On forme un tube de métal conducteur sur la couche de fil d'acier On rétreint le tube sur la couche de fil d'acier. L'invention-sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels': La figure 1 est une coupe d'un mode de réalisation d'un câble de télécommunications contenant des fibres opti- ques; La figure 2 est une coupe agrandie d'une âme du câble de la figure 1 La figure 3 est une coupe agrandie de l'âme et de parties de certains éléments de renfort du câble de la figu- re 1 La figure 4 est une représentation schématique en élévation latérale d'une ligne de fabrication pour un câble à fibres optiques pour l es télécommunications; et La figure 5 est un graphique montrant une compa- raison entre l'atténuation optique dans des fibres d'un câble fabriqué conformément à un processus de l'art anté- rieur, et dans des fibres d'un autre câble, fabriqué confor- mément au processus décrit, en fonction dans les deux cas de la déformation de traction dans le câble. On va maintenant considérer la figure 1 qui montre une coupe 10 d'un câble de télécommunications sous-marin contenant des fibres optiques prévues pour la transmission de signaux optiques Le câble comprend une âme 12, un toron d'acier 13, un conducteur cylindrique 14, et une enveloppe isolante et protectrice 16. Comme le montre la figure 2, l'âme 12 du câble com- prend un élément de renfort central allongé, ou porteur cen- tral, 18, des fibres optiques 20 noyées dans un élastomère 22, et une gaine de-polymère 23 entourant l'élastomère. L'élément de renfort central allongé, ou porteur central, 18, représenté sur la figure 2, est un fil central de section transversale circulaire qui-donne une résistance mécanique à l'âme 12 pendant les processus de fabrication de l'âme et ou câble On utilise de façon caractéristique de l'acier à haute résistance revêtu de cuivre Le fil central a un diamètre caractéristique de 0,8 mm La taille minimale de la section transversale du porteur central 18 est détermi- née par les efforts de traction et de flexion exigés pour les processus de fabrication du câble Pendant le processus de fabrication de l'âme du câble, le porteur central -est utilisé en tant qu'élément de renfort principal L'âme est fabriquée en deux opérations Pendant chaque opération, on utilise le porteur central pour tirer l'âme en cours de croissance à travers divers équipements, pendant que des matières sont ajoutées pas à pas Après la fabrication de l'âme, on fabri- que le câble par deux opérations supplémentaires. Après que le câble a été complètement fabriqué, et pendant la pose du système de télécommunications par fibres et son utilisation, au fond de la mer, le fil central 18 fait fonction de conducteur central d'une structure de câble coaxial qu'on utilise pour la transmission à basse fréquence d'informations de surveillance, de maintenance et de comman- de Du fait de la fonction de conducteur central coaxial, on choisit le porteur central de façon qu'il ait une conductivi- té au moins égale à 40 % de la conductivité d'un fil de cuivre électrolytique de même taille. Dans une autre configuration prévue pour l'utilisa- tion dans un système de télécommunications terrestre n'utili- sant pas la fonction de signalisation et fonctionnant à des températures ambiantes qui varient dans une plage beaucoup plus étendue que les températures de la mer, on peut fabri- quer l'élément de renfort central allongé à partir de verre à haute résistance mécanique, en particulier sous la forme d'un faisceau de fibres de verre à haute résistance mécanique noyées dans un polymère tel que de l'époxyde ou du polyester. L'élastomère 22 est une matière d'enrobage de fibres optiques, comme un polyester thermoplastique de quali- té "extrusion", qui est fourni sous la marque HYTREL par E I du Pont de Nemours and Co, et il est appliqué au por- teur central 18 pendant la première opération de fabrication de l'âme Des renseignements détaillés décrivant la famille de polyesters HYTREL figurent dans les documents suivants Rubber Age, 104, 3, pages 35-42 ( 1972); Proceedings of the International Wire and Cable Symposium, pages 292-299 ( 1975); et Polymer Engineering and Science, Vol 14, N O 12, pages 848-852 (décembre 1974) L'élastomère thermoplastique enrobe complètement plusieurs fibres optiques séparées, pour les protéger à l'intérieur du toron d'acier, près du centre du câble Dans cette configuration, les fibres sont placés près de l'axe neutre de flexion du câble Lorsque le câble est mis en service, la pression qui existe au fond de la mer est appliquée au câble de façon essentiellement symétrique. La configuration du toron d'acier est conçue de façon à supporter la pression du fond de la mer avec une très faible* déformation Du fait que l'élastomère entoure complètement chaque fibre à l'intérieur de l'âme, il forme une couche tampon qui isole chaque fibre vis-à-vis de charges locali- sées résiduelles qui peuvent résulter de la pression du fond de la mer On minimise ainsi la microcourbure des fibres et l'atténuation optique associée produite par une telle micro- courbure, en ce qui concerne les effets de la pression du fond de la mer. Dans la première opération de fabrication de l'âme, on déroule le porteur central 18 à partir d'une bobine débi- trice, avec une vitesse et une tension qu'on peut commander. On le redresse, on le nettoie dans du trichloréthane et on le chauffe On applique deux couches de l'élastomère thermo- plastique 22 sur le porteur central chaud On extrude direc- tement sur le porteur central chaud une première couche de l'élastomère, dans un état plastique On dépose en hélice sur la première couche de l'élastomère un certain nombre prédéterminé, par exemple six à douze, de fibres de verre. On extrude également dans un état amorphe une seconde couche de l'élastomère Cependant, on extrude cette seconde couche sur la première couche de l'élastomère et sur les fibres de verre La seconde couche d'élastomère s'unit à la première couche entre les fibres, de façon à entourer complètement chacune des fibres avec l'élastomère - On achève la-première opération de fabrication de l'âme en faisant passer l'âme partiellement terminée dans un bain d'eau pour la refroidir, avant de l'enrouler sur une bobine réceptrice. Dans la seconde opération de fabrication de l'âme, on recouvre la surface extérieure de l'élastomère par la gaine de Nylon protectrice 23 Un type de Nylon utilisé pour la gaine est le Zytel 153 L NC 10, qui est un Nylon 6/12 qui est fourni par E I du Pont de Nemours and Co Cette gaine a un point de fusion relativement élevé, de 2130 C L'âme partiellement fabriquée est déroulée à partir de la bobine- et le Nylon pour la gaine 23 est chauffé jusqu'à son état plastique et est extrudé sur l'élastomère 22 Cette gaine 23 termine l'âme-qui passe à nouveau dans un bain d'eau de refroidissement, avant que l'âme terminée ne soit enroulée sur une bobine réceptrice. Du fait que l'élastomère 22 entoure complètement les fibres 20 et que la gaine de Nylon 23 entoure l'élasto- mère, les fibres suivent l'élastomère et la gaine de Nylon lorsque le câble est étiré. La fabrication du câble 10 de la figure 1 à partir de cette âme 12 terminée est accomplie en deux opérations supplémentaires La première de c-es opérations est décrite en-relation avec les figures 2, 3 et 4 Pendant la première opération de câblage qui est accomplie-dans la ligne de fabrication de la figure 4, l'âme 12 est déroulée à partir d'une bobine-débitrice 40 et elle est tirée à travers un jeu de galets mobiles 41 et un guide 42, pour être revêtue avec un adhésif thermofusible 25 représenté sur la figure 2, tel que celui appelé Eastman 148. Un poste d'application d'adhésif 43 de la figure 4 chauffe l'adhésif 25, enduit la gaine de Nylon et essuie tout adhésif en excès Au poste 43, l'adhésif est chauffé dans une plage de 2200 C-2400 C La température est suffisam- ment élevée pour que l'adhésif à pomper s'écoule sur le Nylon et l'enduise complètement, mais elle n'est pas suffi- samment élevée pour endommager l'âme L'adhésif 25 est essuyé sur le Nylon 23 pour lui donner une épaisseur unifor- me, comme le montre la figure 2, au moyen d'une filière d'essuyage montée sur charnières, qui fait partie du poste 43. Une fois que l'adhésif a été appliqué à la gaine, deux couches d'acier toronné sont déposées sur l'adhésif On choisit la quantité d'adhésif 25 pour qu'elle soit suffisan- te pour revêtir complètement la gaine et pour emplir presque les interstices 27 entre la gaine et les fils 13 de la pre- mière couche d'acier toronné, comme le montre la figure 3. Les interstices ne doivent pas être emplis complètement Le durcissement de l'adhésif se déroule sur une durée de plu- sieurs heures L'adhésif durci forme une liaison ferme entre la gaine de Nylon 23 et la couche intérieure du toron d'acier 13 Cette liaison empêche le fluage et fait en sorte que l'âme contenant les fibres suive le toron d'acier pen- dant les opérations de pose et de récupération du câble et pendant le service On choisit l'adhésif de façon à éviter toute défaillance de cette liaison pendant ces opérations. En retournant à la figure 1, on note que le con- ducteur extérieur de la structure de câble coaxial de signa- lisation à basse fréquence est formé par le toron d'acier 13 et par-le conducteur 14, tous deux se trouvant à l'exté- rieur de l'âme Le toron d'acier comprend deux couches de fils d'acier toronnés de section transversale circulaire. Une couche intérieure, ou première couche, du toron d'acier comprend huit fils enroulés directement sur la surface extérieure de l'âme et en contact avec elle Ces huit fils ont une taille de section transversale similaire et sont serrés les uns contre les autres, avec un contact à friction Ils sont mis en place par un premier étage d'une toronneuse 45 représentée sur la figure 4, de façon à former une cage de pression de forme cylindrique dans laquelle les fils toronnés pressent les uns contre les autres de façon continue le long de leur surface, sans que le cylindre ne s'affaisse. Le toron d'acier du câble comprend également une couche extérieure, ou seconde couche, de seize-fils d'acier, qui sont placés sur les fils toronnés intérieurs par un second étage de la toronneuse 45 Ces seize fils ont alter- nativement un grand diamètre et un petit diamètre, comme le montre la figure 1 Ils sont placés en contact à friction continu et serré les uns avec les autres et avec les fils du toron intérieur Ces fils de la seconde couche forment une cage de pression de forme cylindrique supplémentaire qui maintient également en place la couche de fils intérieure. Les première et seconde couches du toron en acier sont ame- nées ensemble sur l'âme enduite d'adhésif par une filière d'application 47, représentée sur la figure 4 Le câble par- tiellement formé, comprenant l'âme, l'adhésif et deux couches de toron d'acier, est nettoyé dans un bain de trichloréthane 48, avant d'être enfermé dans le tube conducteur. Un tube cylindrique conducteur non poreux 14, représenté sur la figure 1, doit être formé directement sur la couche extérieure de fils d'acier Il est formé par un tube soudé de cuivre électrolytique malléable Ce tube forte- ment conducteur procure ( 1) un bon chemin en courant continu pour l'alimentation des répéteurs électroniques qui doivent être répartis le long du câble, ( 2) une barrière contre l'humidité pour les fibres et ( 3) en association avec les fils d'acier, le conducteur extérieur cylindrique pour le système de signalisation à basse fréquence mentionné précé- demment. Pendant la fabrication du câble dans la ligne de fabrication de la figure 4, on nettoie une bande de cuivre malléable à conductivité élevée, 50, on la coupe longitudi- nalement pour lui donner une largeur uniforme et *on l'enrou- le en une forme tubulaire autour du toron d'acier au moyen d'une machine à découper et à former un tube 51 Le tube est dimensionné de façon à s'ajuster de manière lâche sur le -toron d'acier, en laissant un espace entre l'acier et les bords aboutés de la bande, qui ont été laminés ensemble En quittant la machine de formation de tube 51, les bords de la bande sont soudés ensemble pour former le conducteur tubulaire 14, par une machine à souder en continu 53 Le tube conducteur est -immédiatement rétreint sur les torons d'acier extérieurs, par laminage et étirage dans une machine d'estampage 55, ce qui fait pénétrer de force une partie du cuivre dans les interstices entre des fils adjacents dans le toron d'acier extérieur, comme le montre la figure 1 Ce rétreint du cuivre dans les interstices extérieurs de la seconde couche d'acier contribue à faire en sorte que l'ensemble des torons d'acier conserve sa forme cylindrique, en particulier pendant des opérations de manipulation-du câble Le rétreint du cuivre sur les fils d'acier produit une zone de contact entre chaque fil et le cuivre, pour con- tribuer à conserver la forme cylindrique des torons et pour faire en sorte que l'acier et le cuivré demeurent solidaires l'un de l'autre pendant la manipulation ultérieure. 254 1782 Une fois que le tube de cuivre 14 a été rétreint en place, on fait passer le câble en cours de croissance dans un autre bain de nettoyage 57, pour effectuer un netto- yage final dans du trichloréthane Cette partie du câble en cours de fabrication est dirigée de façon à traverser un jeu de galets mobiles 58 et est enroulée sur une bobine réceptri- ce 60. Ensuite, dans une opération séparée, l'enveloppe isolante 16, représentée sur la figure 1, est extrudée sur le tube de cuivre 14 L'enveloppe est formée par du polyéthylène naturel de faible densité Pendant le processus d'extrusion du polyéthylène, le câble comprenant le toron d'acier et le tube de cuivre est chauffé jusqu'à une température suffisam- ment élevée pour produire une liaison entre le polyéthylène et le cuivre Le polyéthylène est chauffé jusqu'à un état plastique, dans une plage de température de 210 o C-230 o C, de façon à s'écouler aisément pendant l'extrusion La tempéra- ture du tube de cuivre est élevée à une valeur minimale de 800 C Une liaison formée entre le polyéthylène et le cuivre est suffisamment résistante pour qu'ils soient solidaires l'un de l'autre pendant les opérations de pose et de récupé- ration du câble et pendant les opérations correspondant au fonctionnement du système A cause de cette liaison et du fait que le tube de cuivre est serré sur le toron d'acier, l'enveloppe extérieure en polyéthylène et le toron d'acier sont également solidaires l'un de l'autre Du fait que l'enveloppe, le toron d'acier et l'âme sont tous solidaires les uns des autres, les fibres sont déformées autant que d'autres éléments du câble- Du fait que les fibres sont tes- tées à 2,0 % de déformation, elles peuvent supporter sans se rompre les opérations de pose et de récupération du câble. L'atténuation optique dans les fibres ne varie que faiblement sous l'effet de variations-de la déformation de traction dans le câble La variation de l'atténuation optique des fibres en fonction de la déformation est très inférieure à la variation d'atténuation qui se manifeste dans des structures de câble antérieures Une description de fibres optiques appropriées est présentée dans les documents suivants-: Proceedings of the IEEE, pages 1280-81, septembre 1974; Digest of Tech. Papers, International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communications, page 26, avril 1981; CLEO 1981, article W 6 6-1, juin 1981; et IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol QE-18, n 4, pages 504510, avril 1982 La figure 5 montre la variation de l'atténuation optique dans les fibres en fonction de la déformation du câble La ligne continue 62 représente la variation de la caractéristique d'atténuation optique pour les fibres dans le câble ayant la configuration conforme à l'invention La variation de l'atté- nuation optique est d'environ 0,O 1 décibel par kilomètre pour une déformation de 0,5 % Une ligne en pointillés 64 représente la variation de la caractéristique d'atténaution optique pour des fibres dans une configuration de cable de l'art antérieur La ligne 32 montre que la variation d'atté- nuation optique de la structure antérieure est d'environ 0,10 décibel par kilomètre pour une déformation de 0,5 % La diminution de la variation de l'atténuation optique en fonc- tion de la déformation résulte de la nouvelle conception qui. permet aux éléments du cable d'être solidaires les uns des autres, ce qui s'oppose à la formation de microcourbures que créerait par ailleurs la déformation du câble. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un câble à fibres optiques comprenant des éléments de renfort en fil d'acier, caractérisé par les opérations suivantes: on enduit avec un adhésif ( 25) une âme de câble ( 12) contenant des fibres optiques ( 20); on enroule au moins une couche de fils d'acier ( 13) autour de l'adhésif, sur l'âme; on forme un tube conducteur ( 14) sur la couche de fils d'acier; et on rétreint le tube ( 14) sur la couche de fils d'acier ( 13). 2 Procédé de fabrication d'un câbie à fibres optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une surface extérieure de l'âme du câble ( 12) est en Nylon ( 23); on enduit le Nylon avec un adhésif thermofusible ( 25) et on applique l'adhésif à l'âme du câble à une température dans la plage de 220 C-240 C. 3 Procédé de fabrication d'un câble à fibres optiques selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on essuie l'adhésif ( 25) sur l'âme du câble, pour lui donner une épaisseur uniforme qui laisse suffisamment d'adhésif pour emplir presque les interstices entre la couche de fils d'acier ( 13) et la surface de l'âme du câble ( 12). 4 Câble à fibres optiques fabriqué selon l'une quelconque des revendications de procédé précédentes, carac- térisé en ce qu'il comprend: une matière élastique ( 22) enrobant les fibres ( 20); une gaine ( 23) entourant la matière élastique; un fil toronné ( 13) entourant la gaine et un adhésif ( 25) liant le fil toronné à la gaine pour faire en sorte que la caractéristique d'atténuation optique de cha- que fibre ne varie que faiblement sous l'effet de variations de déformation allant de O à 1 % dans le câble. Câble à fibres optiques selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'adhésif ( 25) est un adhésif ther- mofusible qui est appliqué sur la gaine à une température dans une plage de 220 OC-240 C. 6 Câble à fibres optiques selon la revendication , caractérisé en ce que l'adhésif durcit en formant une liaison ayant un fluage imperceptible, ce qui permet à l'âme et au fil toronné d'être solidaires l'un de l'autre pendant des opérations de manipulation du câble. 7 Câble à fibres optiques selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'atténuation des fibres optiques est inférieure à 0,02 décibel par kilomètre pour une défor- mation de 0,5 %.