Brevet FR2563635A1 — publié le 19851031

La présente invention concerne un câble à fi- bres optiques pour télécommunications protégé contre l'absorption d'hydrogène gazeux par les fibres. L'absorption d'hydrogène a des effets négatifs sur les propriétés des fibres, entre autres, les accrois- sements d'atténuation qui se manifestent à la suite de l'exposition des fibres à l'hydrogène gazeux et une dé- gradation des propriétés mécaniques. Dans les câbles comprenant une ou plusieurs fi- bre(s) optique(s), on observe quelquefois une détériora- tion des propriétés de transmission des fibres dans le cas o ces dernières sont soumises à l'action de l'hydro- gène, quelle que soit la façon dont ce dernier a été en- gendré (que ce soit par des éléments extérieurs au câble que par des éléments intérieurs du câble). En fait, les caractéristiques mécaniques de la fibre sont également influencées bien que, normalement, ce soient les effets macroscopiques de l'accroissement de l'atténuation que l'on observe en premier lieu. Les fibres qui viennent à se trouver dans de telles conditions présentent en effet un accroissement de l'atténuation, notamment pour les longueurs d'onde su- péireures à un micron, c'est-à-dire dans l'intervalle de longueurs d'onde utilisé pour la transmission du signal. Des expériences effectuées par la demanderesse ont permis d'établir qu'une première source d'accroisse- ment de l'atténuation est constituée par l'hydrogène lui- même qui, une fois diffusé dans la fibre, est en mesure d'absorber de l'énergie avec un spectre d'absorption qui comprend les longueurs d'onde utilisées pour le signal optique. Dans certaines conditions, ce phénomène est ré- versible et l'atténuation due à ce phénomène se réduit également de façon appréciable si l'hydrogène a la possi- bilité de diffuser vers l'extérieur de la fibre (par exemple, par suite d'une diminution de la concentration extérieure de l'hydrogène qui a donné naissance au phéno- mène). Dans d'autres cas, au contraire, on a pu éta- blir qu'une deuxième source d'atténuation est à imputer à des réactions chimiques qui se produisent entre les constituants principaux de la fibre (par exemple SiO2) et/ou ses dopants (par exemple GeO2, P205, etc.) et l'hy- drogène qui a diffusé dans la fibre. Le résultat de ces réactions est la formation de groupes qui contiennent le radical hydroxyle (OH) et qui sont responsables de l'absorption au niveau d'autres longueurs d'onde également utilisées pour la transmis- sion. Ces dernières réactions sont irréversibles et on peut donc prévoir une détérioration correspondante des propriétés de la fibre dans toutes les conditions de service. Les paramètres qui commandent ce phénomène sont, à part la composition chimique de la fibre, la pression partielle d'hydrogène à laquelle la fibre est exposée, la température et, naturellement, le temps. La fibre peut entrer en contact avec l'hydrogè- ne engendré aussi bien pendant le processus de produc- tion du câble que pendant l'utilisation du câble lui-mê- me. En effet, l'hydrogène peut être émis par des élé- ments métalliques ou non métalliques présents dans le câ- ble et qui ont absorbé ce gaz pendant les opérations de production, d'affinage ou de finissage des matériaux constitutifs. L'hydrogène peut également être engendré pen- dant l'éventuelle dégradation chimique par oxydation des matières organiques constituant le câble ou encore par une réaction de l'eau (à l'état liquide aussi bien que de vapeur) éventuellement présente dans le câble avec des éléments métalliques constitutifs du câble. Finalement, certains matériaux organiques quel- quefois également utilisés dans le revêtement de la fi- bre, sont en mesure de dégager de l'hydrogène sous l'ef- fet de réactions chimiques de diverses natures. La diffu- sion de l'hydrogène à travers les divers milieux maté- riels se produit avec une vitesse qui croît lorsqu'on passe des métaux aux polymères, aux liquides et aux gaz. Par conséquent, selon le type de câble et le ty- pe d'environnement dans lequel il est utilisé, on obser- vera diverses vitesses de dégagement de l'hydrogène pro- duit par les éléments constitutifs du câble et différen- tes vitesses d'absorption par le câble de l'hydrogène éventuellement produit extérieurement à ce câble et qui traverse l'environnement d'utilisation. La valeur de la pression partielle de l'hydrogè- ne à l'intérieur du câble, qui sera fonction du temps, dépend de ces différentes vitesses; plus la pression et la durée sont grandes, plus grand est le niveau de ris- que pour les fibres. En général, on devra prendre en considération, pour chaque cas, un bilan détaillé de la vitesse de pro- duction de l'hydrogène (d'origine intérieure aussi bien qu'extérieure à la gaine du câble), de la vitesse de dif- fusion de l'hydrogène à travers la gaine du câble et, finalement, de la vitesse de diffusion de l'hydrogène à travers le milieu ambiant, pour pouvoir établir la va- leur de la pression partielle d'hydrogène qui s'établira pendant le transitoire et éventuellement en régime à proximité des fibres du câble. Par exemple, compte tenu de la durée de vie d'un câble à fibres optiques, dans les conditions prévi- sibles de température et de pression, la vitesse de dif- fusion de l'hydrogène à travers les métaux est tellement basse- que les gaines métalliques d'épaisseur habituelle peuvent être considérées comme pratiquement impénétra- bles par l'hydrogène. En particulier, les câbles possédant une gaine métallique, et spécialement si leur volume intérieur est réduit, peuvent présenter rapidement des niveaux élevés de l'accroissement de l'atténuation sous l'action de l'hydrogène dégagé par les éléments situés à L'inté- rieurs de la gaine. Le but de la présente invention est de réaliser un câble à fibres optiques muni d'une protection contre l'absorption d'hydrogène gazeux par les fibres optiques présentes dans le câble. Cette protection est obtenue, selon l'inven- tion, en introduisant de façon appropriée dans le câble au moins un élément métallique qui est en mesure d'absor- ber l'hydrogène et de se combiner avec ce dernier. Le câble à fibres optiques selon l'invention, qui comprend une gaine dans laquelle est logé au moins un noyau optique formé d'une ou plusieurs fibre(s) opti- que(s), est caractérisé en ce qu'il comprend, à l'inté- rieur de ladite gaine, un ou plusieurs métaux des grou- pes III, IV, V et VIII de la classification périodique, en qualité de protection contre l'absorption d'hydrogène gazeux par les fibres optiques. Parmi ces métaux, ceux qui se sont révélés par- ticulièrement bien appropriés sont les suivants: le lan- thane pour le groupe III, le titane, le zirconium, le hafnium pour le groupe IV, le vanadium, le nobium pour le groupe V et le palladium pour le groupe VIII, sous la forme de métaux purs, ou sous celle des alliages ou com- posés intermétalliques de ces métaux. En présence d'hydrogène, les éléments précités tendent à former des solutions solides interstitielles assimilables à des hydrures, qui sont dotées d'une bonne stabilité, et ceci permet de ramener la pression partiel- le de l'hydrogène dans le câble à des valeurs qui sont en équilibre avec la solubilité de l'hydrogène dans les- dits éléments. En utilisant des quantités appropriées de ces éléments, on parvient à limiter Ies valeurs de pression résiduelle de l'hydrogène dans le câble de manière à ren- dre négligeables les effets négatifs de ladite pression d'hydrogène sur les propriétés des fibres et, en particu- lier, sur leurs accroissements d'atténuation, dans les limites de la durée de vie prévue pour le câble. Les éléments précités sont de préférence soumis à un traitement thermique sous vide à des températures de quelques centaines de degrés Celsius, avant d'être utilisés dans la fabrication du câble. Dans certains cas, par exemple, pour le nobium, on a observé qu'il était utile d'élever la température de traitement au-dessus de 1 600 C. On a en effet constaté qu'après ces traite- ments, les éléments précités sont plus actifs dans l'ab- sorption de l'hydrogène, surtout aux faibles valeurs de la pression partielle. On suppose que ces éléments peuvent dans cer- tains cas contenir déjà une certaine quantité d'hydrogè- ne et/ou d'autres gaz absorbés pendant les opérations de fabrication, purification et finissage des éléments et qu'ils présentent un certain niveau d'oxydation superfi- cielle. Ces deux phénomènes pourraient réduire l'effica- cité de la protection des fibres à l'encontre de l'hydro- gène et les traitements thermiques précités exécutés à des températures proches de la température de fusion mais inférieures à celle-ci déterminent un dégazage et/ou l'élimination de l'oxydation superficielle par su- blimation. Les figures du dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ce dessin, la figure 1 représente schématiquement la struc- ture de la partie la plus intérieure d'un exemple type de câble à fibres optiques; les figures 2 à 6 représentent des sections schématiques de l'intérieur d'un câble à fibres optiques selon différentes formes de réalisation de l'invention. Le câble à fibres optiques représenté schémati- quement sur la figure 1 comprend un noyau optique 2 for- mé de quatre fibres optiques 10 réunies autour d'un élé- ment 12 résistant à la traction et assemblées en un fais- ceau par un ou plusieurs ruban(s) 14. Le noyau optique est contenu à l'intérieur d'une gaine 16 au-dessus de laquelle sont prévues d'au- tres couches, revêtements ou structures qui diffèrent se- lon le type du câble et qui sont représentés schématique- ment par la partie 20. Cette gaine 16 peut être une gaine métallique imperméable (par exemple dans un câble sous-marin) ou une gaine en matière plastique. A l'intérieur de cette gaine, le câble peut contenir un remplissage possédant des fonctions mécaniques, une matière d'étanchéité s'op- posant aux infiltrations d'eau, etc.. Le noyau optique peut comprendre des éléments supports longitudinaux, ainsi que d'autres éléments ré- sistants à la traction différents de ceux qui ont été ci- tés plus haut et les fibres peuvent être du type à struc- ture lâche aussi bien que du type à structure serrée. A la lecture de ce qui a été exposé plus haut, la représen- tation de la figure 1 doit être considérée comme généri- que et schématique et comme donnée uniquement pour faire comprendre plus facilement l'invention. Selon une première forme de réalisation repré- sentée sur la figure 2 et particulièrement bien appro- priée pour protéger un câble déjà muni d'un bourrage destiné à limiter les éventuelles pénétrations d'eau, comme dans le cas des câbles sous- marins, la matière de bourrage 31 qui remplit les vides situés sous la gaine extérieure 16 (vides qui peuvent être de l'ordre de 5 cm3 par mètre de câble) contient une dispersion de poudres d'un ou plusieurs élément(s) des groupes III, IV, V et VIII de la classification périodique, parmi les- quels on choisit de préférence le lanthane, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale, le palladium ou bien les alliages de ces métaux 2-563635 ou leurs composés intermétalliques. La quantité de poudres introduite dans la matiè- re de bourrage dépend du type de câble, de sa géométrie et de l'élément (ou des éléments) choisi(s) parmi ceux qui ont été mentionnés plus haut et dont les poudres sont constituées, ainsi que de la granulométrie de ces poudres et de la forme de leurs grains. Dans le cas d'un câble de dimensions habituel- les, muni d'un bourrage et enfermé sous gaine métalli- que, on a observé, par exemple, qu'une quantité comprise entre 10 et 100 mg de palladium en poudre par mètre de cable, avec des particules ayant des dimensions compri- ses entre 10 et 100 microns, est suffisante pour proté- ger les fibres des volumes et des pressions d'hydrogène qui se dégagent dans ce type de câble. Il convient de remarquer que le remplissage au- quel les poudres sont ajoutées peut ne pas être la matiè- re de bourrage d'un cable sous-marin. Le câble pourrait déjà comprendre un remplissage destiné à d'autres fonc- tions (par exemple de compactage), auquel on ajouterait les poudres, ou bien en variante, le cable pourrait être initialement dépourvu de remplissage et, dans ce cas, ce dernier serait spécialement ajouté pour contenir les pou- dres. Dans une deuxième forme de réalisation représen- tée sur la figure 3, le câble comprend au moins une gai- ne extérieure 16 en matière élastomère ou plastomère dans laquelle sont dispersées des poudres d'un ou plu- sieurs des éléments des groupes III, IV, V, VIII de la classification périodique, entre autres, de préférence, le lanthane, le titane, le zirconium, le hafnium, le va- nadium, le niobium, le tantale, le palladium ou des al- liages ou composés intermétalliques de ces métaux. La granulométrie des poudres dispersées est dans ce cas plus réduite (de l'ordre du micron) que dans le cas précédent. Cette forme de réalisation, qui est particulièrement bien adaptée pour protéger les câbles à 2-563635 fibres optiques démunis d'une gaine métallique extérieu- re et qui travaillent dans des environnements riches en hydrogène, exige par exemple d'adopter pour la confec- tion de la gaine extérieure des mélanges d'au moins 0,1 partie de palladium pour 100 parties de résine. Dans une troisième forme de réalisation (figure 4), le câble comprend un ou plusieurs fil(s) 18 formé(s), au moins superficiellement, d'un ou de plusieurs élé- ment(s) des groupes III, IV, V et VIII de la classifica- tion périodique, entre autres et de préférence, de lan- thane, de titane, de zirconium, de hafnium, de vanadium, de niobium, de tantale, de palladium, ou d'un alliage ou composé intermétallique de ces métaux. Le fil ou les fils peuvent former l'élément de traction (12 sur la figure 1) ou bien l'un des consti- tuants de l'élément résistant à la traction et, dans ces cas, les fibres sont câblées autour de ce fil ou de ces fils. En variante, ledit fil peut être ajouté aux élé- ments déjà présents dans le câble, comme on l'a représen- té sur la figure 4. Cette forme de réalisation est particulièrement bien appropriée dans les câbles comportant un grand volu- me libre intérieur (par exemple, de l'ordre de 50 cm3 par mètre de câble) et,.dans le cas o le métal employé est le palladium, elle demande un fil d'un diamètre com- pris entre 0,02 et 0,2 mm pour pouvoir protéger les fi- bres de l'action de l'hydrogène dans les quantités et aux pressions qui se dégagent dans ce type de câble. Etant donné que le phénomène d'absorption n'in- téresse que la surface extérieure des métaux considérés, les fils peuvent être réalisés en d'autres matériaux et être revêtus extérieurement d'une couche suffisante des métaux précités. Dans ce cas, les valeurs des diamètres sont évidemment différentes. La figure 5 montre une autre variante de réali- sation dans laquelle les éléments de protection sont ob- tenus au moyen d'un revêtement ou d'une pellicule d'un ou de plusieurs des métaux précités (ou de leurs allia- ges ou composés intermétalliques), prévus autour du noyau ou des noyaux optique(s). Dans le câble de la figure 5, la surface exté- rieure de la gaine 16 est métallisée avec une pellicule de revêtement 19. Ainsi qu'on l'a déjà dit, on peut uti- liser deux ou plus de deux des métaux précités ou de leurs alliages ou composés intermétalliques. Le choix de la combinaison dépend de différents facteurs, entre autres, du coQt, de l'efficacité de l'ab- sorption de l'hydrogène, de la disponibilité, de l'usina- bilité, etc.. Toutefois, on a observé que certaines combinai- sons présentent une efficacité améliorée comme c'est le cas, en particulier, pour un mélange de niobium et de zirconium utilisé sous la forme de fils ou sous la forme de couches de métallisation. Les excellentes performan- ces de ce mélange dérivent probablement du fait que, ou- tre que ces deux métaux sont des absorbeurs d'hydrogène, le zirconium se combine très facilement à l'oxygène, en sauvegardant ainsi le niobium. Selon une cinquième forme de réalisation, repré- sentée sur la figure 6, le câble comprend une couche ou pellicule d'au moins l'un des éléments précités ou de leurs alliages ou composés intermétalliques, cette cou- che ou pellicule étant déposée sur un ruban de matière plastique ou sur un ruban métallique (par exemple d'acier, de Al, de Cu, etc.), ou encore sur un ruban mé- tallique plastifié (par exemple Al recouvert de polyéthy- lène) qui constitue le rubanage 14 disposé autour du noyau optique du câble. Cette forme de réalisation, qui est adaptée, en- tre autres, pour protéger les câbles dans lesquels l'hy- drogène peut pénétrer en provenance de l'extérieur, exi- ge une épaisseur de couche de palladium déposée comprise entre 1 et 20 microns, sur des rubans qui sont enroulés avec un pas court sur le noyau optique de dimensions ha- 256 3 55 bituelles, pour réaliser la protection des fibres dans les conditions normalement prévisibles. * Dans le cas de sources extérieures d'hydrogène, il convient que la couche active vis-à-vis de l'hydrogè- ne soit dirigée vers l'extérieur. Finalement, il va de soi que les différentes formes de réalisation représentées ne sont pas incompati- bles entre elles mais qu'elles peuvent au contraire coexister et être utilisées avantageusement les unes en complément des autres dans un même cable. Il va de soi que différents modifications pour- ront être apportées aux modes de réalisation qui vien- nent d'être décrits uniquement à titre d'exemples, notam- ment par substitution des moyens techniques équivalents, sans pour celà sortir du cadre de l'invention. 2S 3635 R EV E ND IC A T I O N S 1 - Câble à fibres optiques comprenant une gai- ne à l'intérieur de laquelle est logé au moins un noyau optique formé d'une ou plusieurs fibre(s) optique(s), ca- ractérisé en ce qu'il comprend, à l'intérieur de ladite gaine (16), un ou plusieurs métaux des groupes III, IV, V et VIII de la classification périodique, en qualité de protection contre l'absorption d'hydrogène gazeux par les fibres optiques. 2 - Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits métaux sont respectivement le lantha- ne, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale et le palladium, présents sous la forme de métaux purs ou sous celle des alliages ou compo- sés intermétalliques de ces métaux. 3 - Câble selon l'une des revendications nl et 2, caractérisé en ce que lesdits métaux sont présents sous la forme de poudres. 4 - Câble selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites poudres sont dispersées dans un rem- plissage contenu à l'intérieur de ladite gaine (16). - Câble selon la revendication 4, caractérisé en ce que le remplissage est le bourrage (21) du câble. 6 - Câble selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite gaine est métallique et que le câble est un câble sous-marin. 7 - Câble selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite gaine (16) est faite d'une matière plas- tique contenant une dispersion desdites poudres. 8 - Câble selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites poudres ont des dimensions inférieu- res à 10 microns. 9 - Cable selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits métaux sont présents dans le câble sous la forme de fils (18) formés, au moins superficiellement, d'un ou plusieurs des métaux précités, ou des alliages ou composés intermétalliques de ces métaux. - Câble selon la revendication 9, caractéri- sé en ce que lesdits fils constituent au moins en partie l'élément résistant (12) à la traction du câble. 11 - Câble selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits métaux sont présents dans le câble sous la forme de pellicules ou couches su- perposées. 12 - Câble selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que lesdites pellicules ou couches sont dépo- sées sur un support en forme de ruban (14) qui est enrou- lé ensuite autour du noyau optique. 13 - Câble selon la revendication 12, caractéri- sé en ce que ledit support en forme de ruban (14) est en matière plastique. 14 - Câble selon la revendication 13, caractéri- sé en ce que ledit support en forme de ruban (14) est une matière métallique. 15 - Câble selon la revendication 13, caractéri- sé en ce que ledit support en forme de ruban (14) est une matière métallique plastifiée. 16 - Câble selon la revendication 12, caractéri- sé en ce que ladite couche de matière plastique est fai- te de palladium, déposée sous une épaisseur comprise en- tre 1 et 20 microns, sur un ruban (14) qui est ensuite enroulé autour d'un noyau optique avec un pas court. 17 - Câble selon la revendication 11, caractéri- sé en ce que ladite pellicule ou couche (19) est déposée sur la surface extérieure de ladite gaine (16).