Brevet FR2550863A1 — publié le 19850222

La présente invention est relative à des perfectionnements apportés à une structure de câble à fibres optiques et, plus particulièrement, à un câble à fibres optiques qui doit fonctionner effectivement alors qu'il est posé au fond de l'eau ou de la mer. Le perfectionnement de la structure des fibres optiques, pour la diminution des pertes de transmission, et l'amélioration des caractéristiques des dispositifs optiques tels que les lasers à semi-conducteurs,etc. font actuellement progresser beaucoup les communications optiques dans le domaine de leurs applications pratiques. De ce fait, l'amélioration de la fiabilité de chacun des éléments constitutifs d'un système de communication optique par fibres présente une grande importance pour 15 les applications pratiques; en particulier, l'amélioration de la stabilité à long terme de la caractéristique de transmission de la fibre optique s'avère indispensable. Jusqu'à présent, on estimait que la perte de trans20 mission par la fibre optique pouvait dépendre de microflexions ou de variations de la température ambiante, mais ne variait pratiquement pas au cours du temps Dès lors, l'un des problèmes importants qui se posaient pour les câbles à fibres optiques classiques était celui 25 de la protection des fibres, dont la résistance mécanique est très faible, contre toute pression extérieure comme la pression de l'eau ou une tension due à l'eau, et différentes structures ont été proposées pour résoudre ce problème. Dans différents essais effectués pour étudier les variations des caractéristiques de transmission provoquées par une entrée d'eau dans des câbles à fibres optiques due au fait que les câbles optiques sont posés au fond d'une rivière ou sur le fond de la mer, sous 35 une forte pression d'eau, et peuvent être endommagés parfois par des engins de pêche, par l'ancre d'un bateau de pêche ou par tout autre appareil analogue, on a constaté que, lorsque l'eau diffuse dans le câble à fibres optiques, il apparaît en peu de temps un spectre d'absorption de la lumière marqué pour une longueur d'onde particulière On a constaté également que plus la pression de l'eau est forte, plus ce spectre d'absorption de la lumière est grand Ce phénomène représente un très grave défaut pour tout système dont la durée en 10 service doit dépasser 20 ans, comme c'est le cas pour un système international de communication optique par fibres. Le but de l'invention est de permettre la réalisation d'un câble à fibres optiques qui ne présente pas 15 les défauts inhérents à l'état de la technique antérieur qui peuvent se manifester comme le montrent les résultats des essais mentionnés ci-dessus et qui permette d'éviter toute détérioration des caractéristiques de transmission, même si de l'eau diffuse à l'intérieur du 20 câble à fibres optiques. Ce but est atteint, suivant l'invention, du fait que ceux au moins des éléments métalliques du câble à fibres optiques qui ont une forte réactivité chimique et une forte réactivité électrochimique sont individuel25 lement recouverts d'une pellicule leur évitant tout contact avec l'eau si elle diffuse à l'intérieur du câble La pellicule peut être une pellicule non métallique ou une pellicule métallique ayant une réactivité chimique et une réactivité électrochimique faibles. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formesde réalisation de l'objet de l'invention sontreprésentées,à titre d'exempl Esnon limitatifs, 35 au dessin annexé. 255 086 La fig 1 est une coupe transversale représentant un exemple habituel de câble à fibres optiques. La fig 2 est un graphique représentant la caractéristique de transmission d'un câble correspondant à l'état de la technique antérieur comme celui de la fig 1. La fig 3 est un graphique représentant la caractéristique de transmission dans le cas o de l'eau a diffusé à l'intérieur du câble à fibres optiques habituel. La fig 4 est un graphique explicatif représentant 10 les variations de la caractéristique de transmission dans le cas o la fibre optique a été placée dans de l'hydrogène à l'état gazeux. La fig 5 est une coupe transversale représentant un mode de réalisation de l'invention. La description ci-dessous comprend d'abord un exposé d'ensemble des essais mentionnés ci-dessus, puis une mise en évidence de la cause de la détérioration de la caractéristique de transmission et une description détaillée de la solution proposée. La fig 1 est une coupe transversale d'un câble à fibres optiques de type habituel utilisé pour les essais La référence 1 désigne un ensemble de fibres recouvertes de Nylon, dans lequel plusieurs fibres optiques 12 recouvertes de Nylon sont entrelacées autour 25 d'un élément central 11 résistant à la tension et dans lequel les intervalles sont remplis de caoutchouc de silicone ou d'un produit analogue; la référence 2 désigne une structure étanche à la pression qui est constituéepar de l'aluminium et divisée dans le sens 30 longitudinal comme l'indiquent les lignes en traits interrompus et qui sert également de câble d'alimentation en courant; la référence 3 désigne des éléments résistant à la tension constitués par des fils en acier; la référence 4 désigne un ruban de cuivre; et la réfé35 rence 5 désigne un fourreau en polyéthylène Par ailleurs, les fibres optiques 12 sont des fibres à mode simple formées de verre de quartz (Si O 2). La fig 2 représente la caractéristique de transmission statique du câble à fibres optiques représenté par la fig 1 Le point d'arrêt du mode simple est voisin de la longueur d'onde de 1,12 Nm, la perte de transmission augmente dans le domaine des plus faibles longueurs d'onde Les bandes de longueur d'onde dont l'utilisation est actuellement envisagée pour la com10 munication optique sont les bandes de 1,3 et de 1,5 gm, pour lesquelles aucun problème ne se pose Dans l'essai déjà mentionné, un câble raccourci ayant la structure représentée à la fig 1 a été immergé sous une pression d'environ 25 bars L'essai avait pour but, à l'origine, 15 de déterminer la quantité et la vitesse de l'eau diffusant entre l'ensemble de fibres 1 et la structure 2 étanche à la pression et à l'intérieur du caoutchouc de silicone de l'ensemble de fibres 1 et dans les intervalles délimités par les éléments 3 résistant à la trac20 tion, mais cet essai a montré que la caractéristique de transmission de la fibre optique était considérablement modifiée, comme l'indique la fig 3, par rapport à la caractéristique représentée à la fig 2 La fig 3 indique les résultats des essais, les mesures ayant été 25 effectuées pour 1,29; 1,31; 1,32; 1,48 et 1,51 gm par suite de limitations relatives à la longueur d'onde de la source lumineuse du dispositif de mesure utilisé. L'augmentation de la perte étant forte et marquée par rapport à la variation de longueur d'onde, on a supposé 30 qu'il y avait une valeur de pointe de la perte correspondant à une longueur d'onde particulière Il n'était pas facile de savoir ce qui pouvait provoquer cette valeur de pointe, mais, partant de l'hypothèse qu'il y avait une valeur de pointe entre 1,2 et 1,3 Nm, on a supposé que la valeur de pointe serait due à l'existence d'un spectre d'absorption de la lumière par les molécules d'hydrogène En effet, l'oscillation fondamentale des molécules d'hydrogène se situe à 2,4 Nm et on peut admettre que son harmonique est voisine de la longueur d'onde de 1,2 Nm. Pour vérifier cette hypothèse, on a effectué l'essai supplémentaire suivant: une fibre optique longue d'environ 1 kilomètre a été maintenue dans de l'hydrogène gazeux pendant une semaine sous une pres10 sion de 1,8 bar dans une enceinte à pression La caractéristique de transmission, mesurée ensuite, est représentée par la fig 4 qui montre qu'il y a quatre valeurs de pointe pour 1,24; 1,08; 1,13 et 1,17 gm. De plus, on a constaté que, lorsque la fibre optique 15 extraite de l'enceinte à pression était laissée à l'air libre, la valeur de la perte à chaque pointe s'atténuait progressivement avec le temps et qu'on retrouvait finalement la caractéristique originelle indiquée en trait interrompu à la fig 4. L'essai supplémentaire mentionné ci-dessus laisse supposer que le phénomène d'absorption de la lumière constaté n'est pas dû à une réaction chimique de molécules d'hydrogène ou d'ions hydrogène avec la Si O 2 qui constitue la fibre optique, mais à la diffusion des molécules d'hydrogène dans le noyau de la fibre optique. De plus, on a constaté que l'augmentation de la pression d'hydrogène gazeux dans l'enceinte à pression avait pour effet d'augmenter le nombre des valeurs de pointe de perte et l'importance de la perte. Les différents résultats des essais ci-dessus ont mis en évidence l'exactitude de l'hypothèse suivant laquelle l'absorption de la lumière est due aux molécules d'hydrogène. Le fait que les valeurs de pointe de la perte 35 due aux molécules d'hydrogène correspondent à quatre longueurs d'onde spécifiques peut s'expliquer de la manière suivante: Les molécules d'hydrogène diffusent très facilement dans un matériau amorphe comme le verre de Si O 2 qui constitue la fibre optique et, en particulier, lorsqu'elles sont soumises à une pression, elles sont absorbées par le verre de Si O 2 L'oscillation fondamentale des molécules d'hydrogène est provoquée à 4 160 cm 1 ( 2,42 gm), mais, comme les molécules d'hydrogène n'ont 10 pas de moment de doublet, on admet généralement qu'il ne se produit pas d'absorption de lumière infrarouge. Il y a lieu de remarquer, cependant, que dans ce que l'on appelle l'état absorbé, dans lequel les molécules d'hydrogène s'associent faiblement à d'autres molécules 15 sous l'influence de la pression, de la température ou de facteurs analogues, comme on l'a vu, l'absorption par des molécules n'ayant pas de moment de doublet s'observe également dans leur oscillation fondamentale. La bande de 1,24 Nm dans laquelle on a trouvé, dans les 20 essais, une valeur de pointe d'absorption, est la première harmonique Par ailleurs, on sait que l'oscillation fondamentale de molécules de Si O 2 de structure tétraédrique se situe à 9,1; 12,5; 21 et 36,4 gm et que les vibrations combinées des harmoniques et de la 25 deuxième harmonique 1,24 gm de la première harmonique des molécules d'hydrogène correspondent respectivement à 1,09; 1,13; 1,17 et 1,2 Lm, ce qui est en accord avec les résultats des essais groupés dans la fig 4. De plus, l'augmentation de la perte dans la bande de 30 longueurs d'ondes supérieures à 1,5 Nm représentée à la fig 4 met en évidence l'influence de l'absorption due à l'oscillation fondamentale des molécules d'hydrogène et à l'oscillation fondamentale des molécules de Si O 2 tétraédrique. Les résultats des essais indiqués par la fig 3 sont donc en bon accord avec les résultats indiqués par la fig 4 et on peut en conclure que l'absorption de la lumière est provoquée par les molécules d'hydrogène. La description suivante est relative à la formation des molécules d'hydrogène dans le cas de la diffusion d'eau dans la fibre optique représentée à la fig 1. Comme on l'a vu, lorsque la section transversale 10 d'un câble est exposée à l'eau, l'eau diffuse dans le câble dans le sens de sa longueur à partir des interstices existant dans sa section transversale, de sorte que l'élément central 11, résistant à la traction, de l'ensemble de fibres 1, la structure 2 étanche à la 15 pression, l'élément 3 résistant à la traction et le ruban de cuivre 4 se trouvent en contact direct avec l'eau sur une grande partie de leur longueur Tous ces éléments du câble, que ce soit l'élément central 11 résistant à la traction, la structure 2 étanche à la pression et l'élément 3 résistant à la tension, qui sont constitués par de l'aluminium (Al) ou du fer (Fe) ayant une grande réactivité chimique ou électrochimique, donnent chacun des réactions chimiques individuelles En particulier, comme la structure 2 étanche à la pression, 25 constituée par de l'aluminium, est utilisée comme câble d'alimentation en courant, tout courant qui la parcourt s'accompagne d'un phénomène d'électrolyse qui accentue encore la réaction chimique Il y a donc possibilité de production de molécules d'hydrogène par cette réaction 30 chimique De plus, comme l'aluminium et le fer sont des métaux dissemblables ayant des réactivités chimiques différentes, il se produit une différence de potentiel qui provoque une électrolyse de l'eau entre eux et, de ce fait, une production de molécules d'hydro35 gène. $ 550863 On peut donc admettre que la production des molécules d'hydrogène s'effectue dans les conditions indiquées ci-dessus. La description suivante a pour objet la solution proposée, suivant l'invention, pour éviter la dégradation de la caractéristique de transmission. En raison de ce qui vient d'être dit sur la cause principale de la production de molécules d'hydrogène, la base de la solution consiste à réaliser une structure 10 de câble qui empêche toute réaction chimique ou électrochimique avec l'eau Il faut cependant tenir compte, pour la détermination de cette structure, du prix de revient et de la facilité de fabrication du câble. Dans un premier mode de réalisation de l'inven15 tion, l'élément central 11 résistant à la traction compris dans l'ensemble de fibres 1 représenté à la fig 1 est constitué par un matériau non métallique, par exemple par du FRP Dans ces conditions, il est possible d'empêcher toute réaction chimique de cet élément central 20 11 résistant à la traction et toute réaction électrochimique avec la structure 2 étanche à la pression et, par conséquent, d'éviter la formation d'hydrogène au voisinage des fibres optiques 12. Dans un deuxième mode de réalisation de l'inven25 tion, on utilise, pour la réalisaton du câble, un métal ayant une réactivité chimique et une réactivité électrochimique faibles Dans certains cas, un câble qui n'a pas besoin d'avoir une très grande résistance à la traction peut ne pas comporter d'élément résistant à la traction 4 comme celui qui est représenté à la fig 1. Dans ce cas, la structure 2 étanche à la pression est constitudepar du cuivre (Cu) et l'élément central 11 résistant à la traction est constitué par du cuivre (Cu) ou par un matériau non métallique Le choix des matériaux 35 ayant une réactivité chimique et une réactivité électro- chimique faibles peut se faire en prenant comme mesure leur tendance à l'ionisation En effet, les métaux ayant une tendance à l'ionisation inférieure à celle de l'hydrogène atténuent le danger de formation de molé5 cules d'hydrogène Parmi ces métaux, le plus avantageux est le cuivre (Cu) en raison de son prix et de sa facilité de travail. Dans un troisième mode de réalisation de l'invention, on utilise des métaux analogues On évite de cette 10 manière la production d'un champ électrique qui s'établit, comme on l'a vu, lorsqu'on utilise des métaux différents. Il est nécessaire que la résistance à la traction soit très élevée dans le cas d'un câble posé sur le fond de la mer et, dans ce cas, on n'a pas d'autre choix que celui d'utiliser, comme élément 3 résistant à la traction, un fil d'acier On peut satisfaire à la condition imposée en réalisant en fer (Fe) la structure 2 étanche à la pression représentée à la fig 1 Accessoirement, dans ce mode de réalisation, la structure 2 étanche à la pression qui sert de câble d'alimentation en courant étant constituée également par du fer (Fe), la résistance électrique du câble d'alimentation en courant augmente Dans ce cas, une alimentation en courant-s'effectue par le ruban de cuivre 4 qui est placé à l'exté25 rieur de l'élément 3 résistant à la traction et a une réactivité chimique faible Ce défaut est également supprimé dans le mode de réalisation suivant. Dans un quatrième mode de réalisation de l'invention, on entoure de revêtements métalliques tous les 30 éléments métalliques utilisés ou ceux d'entre eux qui ont une réactivité chimique ou une réactivité électrochimique fortes, de manière à constituer un câble de métaux analogues en équivalence Comme revêtements métalliques, on peut utiliser des métaux ayant une ten35 dance à l'ionisation inférieure à celle de l'hydrogène, comme Cu, Ag, Pt, Au, etc, mais le revêtement de cuivre (Cu) est le plus indiqué d'un point de vue économique. En utilisant un revêtement de cuivre pour l'élément central 11 résistant à la traction, la structure 2 étanche à la pression et l'élément 3 résistant à la traction représentés à la fig 1, on peut réaliser un câble qui, contenant le ruban 4, ait la même équivalence de métaux, de sorte qu'il n'y a aucune variation dans le fonctionnement et la caractéristique du câble à 10 fibres optiques Dans ce cas, on peut, en plus, en utilisant un matériau non métallique pour l'élément central 11 résistant à la traction, éviter toute formation de molécules d'hydrogène. Dans un cinquième mode de réalisation de l'inven15 tion, on évite tout contact direct entre l'eau ou l'eau de mer diffusant dans le câble et les éléments métalliques qu'il contient, ce qui évite toute réaction chimique ou électrochimique des éléments métalliques. Dans ce mode de réalisation, tous les éléments métal20 liques utilisés ou au moins ceux qui ont une réactivité chimique et une réactivité électrochimique élevées sont tous recouverts d'un revêtement non métallique La fig 5 représente un exemple de cette structure, dans laquelle les références 6 correspondant à des lignes en 25 trait plein désignent les revêtements, les autres références étant les mêmes qu'à la fig 1 Les revêtements non métalliques sont des revêtements de résines synthétiques comme le Nylon, le Téflon, le Keplon et le polyéthylène et les revêtements assurant l'étanchéité 30 à l'eau sont des graisses Ces revêtements peuvent également être appliqués par un procédé de traitement de surface Parmi les revêtements non métalliques, les revêtements de graisse assurant l'étanchéité peuvent être obtenus en faisant passer les éléments métalliques 35 dans des réservoirs à graisse placés en des points clés de l'installation de fabrication, ce qui n'exige pas de modification importante du processus de fabrication et est, par conséquent, économiquement avantageux. Comme on l'a vu, suivant l'invention, même si de l'eau diffuse à l'intérieur du câble à fibres optiques, il est possible d'empêcher en fait toute formation de molécules d'hydrogène, c'est-à-dire de supprimer la cause principale de la détérioration de la caractéristique de transmission de la fibre optique. La description suivante est relative à une autre cause de production de molécules d'hydrogène dans le câble à fibres optiques et à une solution permettant de l'éviter. Les câbles utilisés pour les communications inter15 nationales sont quelquefois déposés dans l'eau à une profondeur de 8 000 mètres et, dans ce cas, les fibres optiques sont maintenues à basse température et sous forte pression, la température ambiante étant inférieure à 3 C et la pression étant de 800 bars Dans ces condi20 tions, il y a lieu de craindre que la vapeur d'eau contenue dans l'air emprisonné dans le câble à fibres optiques pendant sa fabrication ne devienne saturée et forme des gouttelettes d'eau En effet, dès que ces gouttelettes d'eau se forment, elles agissent d'une certaine manière comme de l'eau d'origine extérieure qui aurait diffusé à l'intérieur du câble, o elles provoquent la formation de molécules d'hydrogène Il est évident que les solutions déjà proposées sont efficaces dans ce cas, mais comme on peut supposer que la quantité 30 ' d'eau formée est faible, il parait avantageux d'introduire dans le câble un produit déshydratant Il est avantageux, par ailleurs, de protéger chaque fibre optique par un métal spécial qui absorbe les molécules d'hydrogène formées, par exemple par un alliage de 35 nickel et de manganèse. Comme on l'a vu, suivant l'invention, même si de l'eau diffuse dans le câble, il est possible d'empêcher toute réaction chimique ou électrochimique de chacun des éléments métalliques constituant le câble en rendant impossible la formation de molécules d'hydrogène de manière à éviter la dégradation de la caractéristique de transmission de la fibre optique C'est très important dans le cas d'un système de communication optique dont la durée en service doit dépasser 20 ans De plus, même 10 en cas de rupture mécanique du câble à fibres optiques, si la caractéristique de la fibre optique n'est pas détériorée, l'avarie peut être réparée par une épissure du câble au point de rupture C'est un grand avantage pour l'entretien des câbles. Comme on l'a vu, l'invention permet d'améliorer le rendement et la fiabilité des systèmes de communication optique et présente, par conséquent, une grande utilité pour l'industrie. REVENDICATIONS 1 Câble à fibres optiques, caractérisé en ce que ceux au moins des éléments métalliques ( 2, 3, 4, 11) du câble à fibres optiques qui ont une forte réactivité chimique et une forte réactivité électrochimique sont recouverts chacun d'une pellicule ( 6) leur évitant tout contact direct avec l'eau si elle diffuse à l'intérieur du câble. 2 Câble à fibres optiques selon la revendi10 cation 1, caractérisé en ce que la pellicule est une pellicule non métallique. 3 Câble à fibres optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule est une pellicule métallique constituée par un métal ayant une réactivité chimique et une réactivité électrochimique faibles.