Brevet FR2563345A1 — publié le 19851025

La présente invention se rapporte à un câble sous-marin pour télécommunications à fibres optiques par- ticulièrement bien adapté pour être posé et pour travail- ler à de grandes profondeurs. Les câbles sous-marins pour télécommunications à fibres optiques sont soumis à l'action de la pression hydrostatique exercée par l'environnement et ils sont donc soumis à des sollicitations de compression dans la direction radiale, qui sont d'autant plus élevées que la profondeur est plus grande, et qui se prolongent pendant toute la durée de vie du câble. Les sollicitations de compression dans la direc- tion radiale du câble entraînent l'existence de risques d'effondrement dans la structure de ce câble. Le risque d'effondrement ou d'écrasement est particulièrement grave dans les cables sous-marins pour télécommunications à fibres optiques en raison de l'ex- trême délicatesse de ces fibres. En effet, non seulement, les fibres optiques sont fragiles et par conséquent sujettes à se rompre fa- cilement mais, en outre, la présence de sollicitations mécaniques, même de faibles valeurs, dans ces fibres, peut provoquer une atténuation des signaux transmis. Il en résulte que si, dans un cable sous-marin pour télécommunications à fibres optiques, il se produi- sait des effondrements, même de faible amplitude, dans sa structure, ceci entraînerait facilement une mise hors d'usage du câble lui-même, pour les causes précitées, puisque les fibres optiques seraient inévitablement sou- mises à des sollicitations mécaniques, qui sont toujours dangereuses pour ces fibres. Dans tous les cables sous-marins pour télécommu- nications à fibres optiques, on prévoit, en vue d'éviter ces risques, de disposer une armature métallique capable de résister mécaniquement aux sollicitations autour de la zone dans laquelle les fibres optiques sont présen- tes, et cette armature métallique croit en dimension 2 2563345 avec l'accroissement de la profondeur à laquelle le câ- ble est destiné à être posé et à travailler. La présence d'une armature métallique, d'autant plus forte que la profondeur à laquelle le câble sous- marin pour télécommunications à fibres optiques est des- tiné à travailler est plus grande, et qui entoure et pro- tège ces fibres, exerce une influence négative sur la flexibilité du câble, en raison du fait que cette armatu- re est éloignée de la fibre neutre à la flexion qui, ain- si qu'il est bien connu, coincide avec l'axe longitudi- nal du câble. En outre, les câbles sous-marins pour télécommu- nications à fibres optiques qui sont déjà connus présen- tent un grand volume de métal au mètre et ceci signifie des câbles de poids élevé, avec des difficultés consécu- tives dans les opérations de pose. Les grandes quantités de métal par mètre linéai- re présentes dans les câbles sous-marins pour télécommu- nications à fibres optiques déjà connus rendent ces câ- bles sensibles au risque "d'aveuglement' des fibres opti- ques en raison des plus grandes probabilités pour que l'hydrogène provenant du métal puisse entrer en contact avec les fibres optiques en provoquant le phénomène "d'aveuglement' parfois dénommé "d'opacité", précité. Dans le brevet britannique ne 2 021 282 et dans la demande de brevet australien n 74 368 A/81, on dé- crit des câbles sous-marins à fibres optiques déjà con- nus dans lesquels il existe une structure métallique mé- caniquement résistante qui entoure la pluralité de fi- bres optiques du câble, lesquelles sont disposées autour d'une âme centrale enfermée à l'intérieur d'une gaine mé- tallique étanche, ces câbles étant par conséquent su- jets à présenter les inconvénients précités. Le but de l'invention est de réaliser des cà- bles sous-marins pour télécommunications à fibres opti- ques qui soient exempts des risques d'effondrement, tout en évitant la présence d'armatures métalliques mécanique- ment résistantes qui entourent la zone occupée par les fibres optiques, en réduisant le poids du cable, et les risques "d'aveuglement" des fibres optiques et en optimi- sant en outre la flexibilité du câble. L'invention a pour objet un câble sous-marin pour télécommunications comprenant une pluralité de fi- bres optiques disposées autour d'une âme centrale enfer- mée à l'intérieur d'une gaine métallique, caractérisé en ce qu'il comprend: - une armature disposée dans la position radia- lement la plus intérieure du câble, l'axe de l'armature coincidant avec l'axe du câble, ladite armature étant constituée par une corde antitorsionnelle compacte, les espaces entre les fils qui composent cette corde étant remplis d'un fluide incompressible, - une pluralité de tubes disposés sur la surfa- ce la plus extérieure de l'armature, ces tubes étant con- venablement espacés les uns des autres en suivant une configuration sensiblement en hélice autour de ladite ar- mature et étant remplis d'un fluide incompressible, et logeant au moins une fibre optique dans une structure lâche, - une première couche de matière plastique ex- trudée sur ladite armature et sur lesdits tubes, la sur- face radialement la plus intérieure de ladite première couche ayant une forme complémentaire de celle-de la sur- face de l'ensemble armature-tubes, de sorte que chaque espace intercalaire est rempli de la matière de ladite première couche, - ledit câble étant entièrement dépourvu de tou- te armature mécaniquement résistante radialement exté- rieure à la zone dans laquelle les fibres optiques sont disposées et entourant cette zone. En outre, la gaine métallique étanche à l'eau est disposée autour de la première couche en contact in- time avec la surface radialement la plus extérieure de celle-ci. Au-dessus de la corde anti-torsionnelle compac- te constituant l'armature du câble, peut être prévue une couche de recouvrement en matière plastique -étroitement liée à cette corde sans laisser d'espaces intercalaires libres. Dans ce cas, les tubes remplis d'un fluide in- compressible et qui logent une fibre optique en structu- re lache sont enroulés sur ladite couche de recouvrement en matière plastique et la première couche de matière plastique du cable est extrudée au-dessus de ladite cou- che de recouvrement et desdits tubes, la surface radiale- ment la plus intérieure de ladite première couche possé- dant une forme complémentaire de celle de la surface de l'ensemble couche de recouvrement-tubes, de sorte que chaque espace intercalaire est rempli par la matière de ladite première couche. On entend dans le présent mémoire par l'expres- sion "fluide incompressible une substance liquide, de préférence visqueuse, surtout à haute viscosité, et les gaz sont exclus de l'acception de cette expression. L'armature disposée dans la position radiale- ment la plus intérieure du câble, constituée par une cor- de anti-torsionnelle compacte est calculée pour résister sensiblement à la totalité des sollicitations à la trac- tion qui sont appliquées au cable pendant sa pose. En outre, l'armature du cable peut comprendre un élément métallique longitudinal à haute conductibili- té électrique servant à alimenter les éventuels répéti- teurs opto-électroniques disposés le long du cable pour répéter les signaux transmis par les fibres optiques. Les figures du dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, feront bien comprendre comme l'inven- tion peut être réalisée. Sur ce dessin, la figure 1 montre en coupe un câble sous-marin pour télécommunications à fibres optiques selon l'inven- tion; la figure 2 montre en coupe et à échelle agran- die un détail du câble de la figure 1; la figure 3 montre en coupe et à échelle agran- die un détail d'une variante de réalisation. Sur la figure 1, on a représenté en coupe trans- versale un câble sous-marin pour télécommunications à fi- bres optiques selon l'invention qui est particulièrement bien adapté pour la pose aux grandes profondeurs, si l'on entend par cette expression les profondeurs supé- rieures à 1 000 mètres. Comme on le voit sur la figure 1, le câble pré- sente, en allant de l'intérieur vers l'extérieur, une ar- mature 1 disposée dans la position radialement la plus intérieure du câble et qui occupe cette position. L'armature 1 possède un axe qui coincide avec l'axe du câble et elle est calculée et, par conséquent, dimensionnée de manière à résister sensiblement à la to- talité des sollicitations de traction exercées sur le ca- ble pendant la pose. L'armature 1 est constituée par une corde anti- torsionnelle compacte formée d'une pluralité de fils en- roulés en hélice, disposes en couches coaxiales superpo- sées, le sens d'enroulement des fils d'une couche étant inverse de celui des couches adjacentes. Ces fils 2 sont faits d'une matière à très hau- te résistance mécanique, par exemple d'acier ou, en va- riante, d'une matière possédant une résistance mécanique comparable à celle de l'acier, telle que les polyamides aromatiques et les fibres de carbone, ce qui réduit la quantité de métal présente dans le câble, Tous les espaces 3 existant entre les fils sont remplis d'un fluide pratiquement incompressible comme, par exemple, une vaseline, une graisse de siliconie ou équivalent. En outre, s'ils sont en acier, les fils 2 peu- vent posséder, en vue de réduire à un minimum les espa- ces existant entre eux, des formes de section adaptées à cette application comme, par exemple, la forme de trapS- ze, la forme en Z ou équivalent. Autour de l'armature 1, est disposée une couche de recouvrement 4 en matière plastique, constituée, par exemple, par une polyoléfine telle que le polyéthylène, ou encore par du chlorure de polyvinyle, du Nylon (marque déposée) ou des matières plastiques analogues à faible coef- ficient de dilatation thermique. La couche de recouvrement 4 est étroitement liée à la corde constituant l'armature 1, de manière à ne pas laisser d'espaces intercalaires libres. Sur la surface 5, de forme cylindrique à sec- tion circulaire, de la couche de recouvrement 4, sont en- roulés en hélice une pluralité de tubes 6 en matière plastique ou en matière métallique remplis d'un fluide pratiquement incompressible tel qu'une vaseline, une graisse de silicone ou équivalent et qui logent au moins une fibre optique 7 en structure lache. L'épaisseur de la paroi de chaque tube dépend de l'importance des espaces libres de fluide pratique- ment incompressible qui pourraient être présents dans le tube pour une raison quelconque. En effet, un remplissa- ge incomplet du tube par le fluide pratiquement incom- pressible exige de ce tube qu'il possède en soi une ré- sistance mécanique aux sollicitations radiales de com- pression d'autant plus grande que le soutien qui peut être fourni & la paroi intérieure du tube par le fluide pratiquement incompressible est plus faible. En variante, l'espace compris entre la surface intérieure du tube, si ce tube est en matière plastique, et la fibre optique, est entièrement occupé par une cou- che de matière plastique, identique à celle qui forme le tube ou différente de celle-ci. Les tubes 6 enroulés en hélice sur la couche de recouvrement 4 en matière plastique sont convenablement espacés les uns des autres, par exemple, ils sont équi- distants les uns des autres et, ainsi que ceci est clai- rement visible sur la figure 1, le contact entre les tubes 6 et la surface 5 de la couche 4 se produit selon une ligne 8. Selon une variante de réalisation représentée sur la figure 3, la surface radialement la plus extérieu- re 5 de la couche de recouvrement 4 est munie d'emprein- tes 9 possédant une allure hélicoidale et dont la sec- tion possède un rayon de courbure égal à celui de la sur- face extérieure des tubes 6, mais avec une profondeur qui présente des dimensions nettement inférieures aux dimensions transversales des tubes 6, de manière à pou- voir assurer exclusivement une fonction de stabilisation de la position de ces tubes sur la surface 5 de la cou- che 4. Dans cette situation, les tubes 6 sont en con- tact avec la surface 5, par une petite partie de leur surface extérieure, le long de toute la surface des em- preintes 9. Sur l'ensemble tubes 6-couche de recouvrement 4, est prévue une première couche 10 en matière plasti- que obtenue par extrusion. La couche 10 de matière plastique est consti- tuée, par exemple, par une polyoléfine telle que le poly- éthylène ou par du chlorure de polyvinyle,du Nylon (marque déposée) ou des matières analogues a faible coefficient de dilata- tion thermique et sa surface radialement la plus inté- rieure possède une forme complémentaire de celle de la surface de l'ensemble couches de recouvrement 4-tubes 6 sur laquelle elle est extrudée. Par conséquent, la surface radialement la plus intérieure de la couche 10 épouse entièrement les surfa- ces qui sont libres de contact mutuel entre les tubes 6 et la couche de recouvrement 4; de cette façon, tous les espaces compris entre les tubes sont entièrement com- blés par la matière plastique de la première couche 10. Ainsi qu'on le voit sur la figure 1, il est pré- vu une gaine métallique 11 étanche à l'eau sur la premiè- re couche 10, en contact intime avec la surface radiale- ment la plus extérieure de cette couche. La gaine métallique 11 exerce uniquement une fonction d'imperméabilisation; elle ne constitue pas, et elle ne doit pas constituer en pratique pour le cêble une armature capable de résister aux sollicitations, ni dans la direction longitudinale ni dans la direction transversale. La gaine métallique 11 possède par exemple, une épaisseur de quelques dixièmes de millimètres; en géné- ral, l'épaisseur de la gaine métallique 11 possède la va- leur minimale exigée par les nécessités de construction et cette épaisseur reste sensiblement constante quelle que soit la profondeur à laquelle le cable est destiné à être posé et à travailler. La gaine métallique 11, par exemple en alumi- nium, peut être obtenue par extrusion sur la- deuxième couche 10. En variante, la gaine métallique 11 peut être obtenue en enroulant longitudinalement sur la première couche 10 et en contact direct avec la surface radiale- ment la plus extérieure de cette couche, un ruban métal- lique, par exemple en aluminium, de manière à disposer les bords longitudinaux du ruban en contact mutuel, en les assemblant par soudage ou, si ces bords longitudi- naux sont superposés, en les assemblant entre eux à joint étanche par des mastics ou équivalents. Autour de la gaine métallique 11 étanche à l'eau, est prévue une troisième couche 12 en matière plastique, par exemple faite d'une polyoléfine telle que le polyéthylene. Sur la couche 12, peuvent être prévues d'autres couches, non représentées sur la figure 1, telles que, par exemple, une protection anti-taretsa d'!un--type-connu en soi, mais aucune de ces couches ne doit former en pra- tique par sa présence une armature mécaniquement résis- tante pour le cable. De cette façon, un cable sous-marin pour télé- communications à fibres optiques selon l'invention est dépourvu de toute armature mécaniquement résistante ra- dialement extérieure qui entoure la zone dans laquelle les fibres optiques sont présentes et, par conséquent, également extérieurement à la gaine métallique 11 étan- che à l'eau. Dans une variante de réalisation, non représen- tée sur le dessin, un câble sous-marin pour télécommuni- cations à fibres optiques selon l'invention ne se distin- gue de celui qui vient d'être décrit et qui est représen- té sur les figures du dessin que par l'absence de la cou- che de recouvrement en matière plastique disposée autour de la corde anti-torsionnelle compacte remplie d'un flui- de pratiquement incompressible, et étroitement liée à cette corde sans laisser d'espaces intercalaires li- bres. Selon cette variante de réalisation, les tubes, remplis d'un fluide incompressible et qui logent au moins une fibre optique en structure lache, sont enrou- lés en hélice sur la corde anti-torsionnelle compacte constituant l'armature et, par conséquent, en contact direct avec cette corde. Dans cette situation, la première couche de ma- tière plastique du câble est extrudée sur l'ensemble for- * mé de la structure et des tubes et la surface radiale- ment la plus intérieure de cette première couche possède donc une forme complémentaire de celle de la surface de l'ensemble armature-tubes, de sorte que tous les espaces intercalaires sont comblés par la matière de ladite pre- mière couche. En outre, en qualité de variante non représen- tée pour les formes de réalisation d'un câble selon l'in- vention qui ont été décrites plus haut, l'armature de ce c&ble peut comprendre un élément métallique longitudinal à haute conductibilité électrique, de manière à posséder un conducteur électrique en parallèle pour pouvoir ali- menter les répétiteurs opto-électroniques des signaux transmis par les fibres optiques qui sont disposés le long du câble, l'autre conducteur étant constitué par la gaine métallique. Par exemple, l'élément métallique longitudinal à haute conductibilité électrique peut être constitué par au moins un fil de cuivre associé à la corde consti- tuant l'armature 2, c'est-à-dire incorporé à cette corde ou enroulé autour de celle-ci. A la lecture de la description de quelques for- mes de réalisation d'un cable sous-marin pour télécommu- nications à fibres optiques selon l'invention qui a été donnée ci-dessus, et des considérations qui suivent, il est facile de comprendre que l'invention permet d'attein- dre les buts visés. Dans un cable sous-marin pour télécommunica- tions à fibres optiques selon l'invention, l'unique arma- ture mécaniquement résistante présente dans le cable est concentrée dans la zone radialement la plus intérieure de ce cable, sous la forme d'une corde compacte anti-tor- sionnelle dont l'axe coincide avec l'axe du câble et cet- te armature est dimensionnée pour résister en pratique à toutes les sollicitations qui sont imposées à ce câble pendant la pose. Ceci signifie une réduction au minimum de l'ar- mature capable de résister mécaniquement aux sollicita- tions qu'il est nécessaire d'incorporer dans un cable sous-marin pour télécommunications à fibres optiques. En outre, étant donné que tous les espaces exis- tant entre les fils qui forment l'armature sont remplis d'un fluide pratiquement incompressible, et étant donné que les petits tubes dans lesquels les fibres optiques sont logées en structure lâche sont eux aussi remplis d'une matière ou d'un fluide pratiquement incompressi- ble, dans un cable sous-marin pour télécommunications à fibres optiques selon l'invention, la structure de ce câble ne comporte sensiblement aucun espace libre de ma- tière, évidemment à l'exception des éventuelles et très ú1 petites cavités qui sont inévitablement formées dans la fabrication du câble. En outre, pour plus de sécurité, les tubes rem- plis de fluide pratiquement incompressible et dans les- quels les fibres optiques sont logées en structure lâche peuvent avoir une épaisseur appropriée pour leur donner une résistance mécanique aux sollicitations radiales de compression contre les risques éventuels qui résulte- raient d'un éventuel remplissage imparfait ou incomplet par le fluide pratiquement incompressible. Grâce aux caractéristiques précitées, on consta- te qu'un câble selon l'invention n'est pas sujet aux ris- ques d'effondrement dus aux sollicitations de compres- sion exercées dans la direction radiale sous l'action de la pression hydrostatique, quelle que soit la valeur de cette pression et, par conséquent, quelle que soit la profondeur de pose. Ceci permet d'éviter d'entourer la zone du câ- ble dans laquelle les fibres optiques sont présentes d'armatures mécaniquement résistantes qui étaient consi- dérées jusqu'à présent comme indispensables pour éviter les risques d'effondrement dans la structure des cables. En d'autres termes, dans un câble sous-marin pour télécommunications à fibres optiques selon l'inven- tion, on obtient avec surprise la combinaison de la ca- ractéristique de réduction au minimum de la structure mé- caniquement résistante et de l'avantage de résistance maximum aux sollicitations -mécaniques, combinaison qui était considérée jusqu'à présent comme impossible à obte- nir pour ce genre de câble. Le fait de réaliser la gaine étanche à l'eau du cable avec une couche métallique est simplement dO au fait que ce n'est qu'avec une matière métallique qu'il est possible d'obtenir l'imperméabilité mais la couche métallique formant la gaine d'un câble selon l'invention possède l'épaisseur la plus faible possible compatible avec ses exigences de construction et elle ne varie pas avec la profondeur à laquelle le câble doit être posé. Par conséquent, la gaine métallique ne joue en pratique aucune fonction d'armature mécaniquement résis- tante pour le câble. En outre, le fait d'avoir concentré toute l'ar- mature mécaniquement résistante dans la zone radialement la plus intérieure du câble sous la forme d'une corde, en dimensionnant cette corde de manière qu'elle résiste à toutes les sollicitations exercées pendant la pose, et en plaçant l'axe de cette corde en coincidence avec l'axe longitudinal du câble qui, ainsi qu'il est connu, constitue la fibre neutre sous les sollicitations de flexion, assure une optimisation de la flexibilité du c - ble. Par ailleurs, en réduisant au minimum la quanti- té de métal présente par mètre linéaire de câble, outre le fait qu'on donne à ce câble un poids minime, et qu'on facilite les opérations de pose, on réduit au minimum la quantité d'hydrogène qui peut se dégager de cette matiè- re métallique et entrer en contact avec les fibres opti- ques; on réduit ainsi au minimum le risque 'd'aveugle- ment" de ces fibres optiques sous l'effet de l'hydrogè- ne. Finalement, dans un câble selon l'invention, le fait d'utiliser un conducteur électrique en parallèle avec l'armature métallique permet, en améliorant la con- ductibilité de cette armature, d'utiliser cette dernière pour alimenter les répétiteurs opto-électroniques des signaux transmis par les fibres optiques et de confier la fonction de conducteur de retour à la gaine métalli- que au lieu de la confier à la mer qui entoure le câble. De cette façon, la fonction de diélectrique est assurée par la matière plastique interposée entre L/azmature et la gaine métallique et non pas par la couche de matière plastique qui recouvre cette gaine. Il en résulte que la couche de matière plasti- que qui recouvre la gaine, et qui est inévitablement soumise à l'action de la mer n'est pas soumise à des sol- licitations électriques comme cela se produit dans les câbles connus et on évite donc les phénomènes électrochi- miques qui se traduisent par la formation de ce qu'on ap- pelle les arborescences à l'intérieur de ladite couche, ainsi que par les éventuels phénomènes de corrosion de la gaine métallique. Il va de soi qu'on pourra apporter au câble qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non li- mitatif diverses modifications, notamment par substitu- tion des moyens techniques équivalents, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Câble sous-marin pour télécommunications comprenant une pluralité de fibres optiques disposées au- tour d'une âme centrale qui est elle-même enfermée dans une gaine métallique, caractérisé en ce qu'il comprend: une armature (1) disposée dans la position radialement la plus intérieure du câble, l'axe de cette armature coïncidant avec l'axe du câble, ladite armature (1) étant constituée par une corde anti-torsionnelle compac- te, les espaces entre les fils (2) qui composent cette corde étant remplis d'un fluide incompressible; une plu- ralité de tubes (6) disposes sur la surface la plus exté- rieure (5) de l'armature, lesdits tubes étant convenable- ment espacés les uns des autres, suivant une configura- tion sensiblement en hélice autour de ladite armature,et étant remplis d'un fluide incompressible, et chaque tube logeant au moins une fibre optique (7) dans une structu- re lâche; une première couche de matière plastique (10) extrudée sur ladite armature (1) et sur lesdits tubes (6), la surface radialement la plus intérieure de cette première couche (10) possédant une forme complémentaire de la surface de l'ensemble armature-tubes, de telle façon que chaque espace intercalaire soit rempli par la matière de cette première couche, ledit câble étant en- tièrement dépourvu de toute armature mécaniquement résis- tante radialement extérieure à la zone dans laquelle les fibres optiques (7) sont disposées et qui entoure cette zone. 2 - Câble sous-marin selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche de recouvrement en matiè- re plastique (4) est disposée autour de la corde consti- tuant l'armature (1), cette couche étant étroitement liée à cette corde sans laisser d'espaces intercalaires libres, la pluralité de tubes (6) étant disposés en héli- ce sur la surface la plus extérieure (5) de ladite cou- che de recouvrement (4) et ladite première couche de ma- tière plastique (10) étant extrudée sur ladite couche de recouvrement (4) et sur lesdits tubes (6), la surface ra- dialement la plus intérieure de ladite première couche (10) ayant une forme complémentaire de celle de la surfa- ce de l'ensemble couche de recouvrement-tubes, de maniè- re que tous les espaces intercalaires soient comblés par la matière de ladite première couche (10). 3 - Câble sous-marin selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que ladite armature (1) est calculée pour résister sensiblement à la totalité des sollicitations à la traction exercées pendant la pose du câble. 4 - Câble sous-marin selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite armature (1) est formée de fils d'acier. - Câble sous-marin selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite armature (1) est formée de fils d'une polyamide aromatique. 6 - Câble sous-marin selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite armature (1) est formée de fils de fibre de carbone. 7 - Câble sous-marin selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite armature (1) comprend un élément métallique longitudinal à haute conductibilité électrique. 8 - Câble sous-marin selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit élément métallique est cons- titué par au moins un fil de cuivre associé à l'armatu- re. 9 - Câble sous-marin selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gaine métallique étanche à l'eau (11) est disposée autour de ladite première couche (10), en contact intime avec la surface radialement la plus extérieure de cette dernière.