Brevet FR2636743A1 — publié le 19900323

La présente invention se rapporte à une structure de câble à fibres optiques répondant aux exigences de tenue mé- canique, de fabrication automatisée et à moindre coût, im- posées de façon de plus en plus drastique. Il est possible de classer les structures actuelles des câbles à fibres optiques en deux grandes catégories en se référant à la nature des phénomènes induits dans le câble. On trouve les structures dites "serrées" dans lesquelles la fibre est noyée dans une matière plastique dont le compor- tement à une influence sur le milieu de transmission, et les structures à "fibres libres" les plus couramment rencon- trées avec un support alvéolaire de caractéristiques bien terminées. Dans les structures dites "serrées", on rencontre prin- cipalement deux types de câbles. Un premier type est composé d'un assemblage, par couches ou par groupes, de fibres ren- forcées par extrusion d'un ou plusieurs gainages. Un second type utilise des rubans de fibres les plus compacts possi- bles qu'on assemble en une matrice qui est ensuite torsadée. Dans les structures à "fibres libres", trois types ont été largement développés. Ils ont comme points communs l'uti- lisation de supports alvéolaires plastiques pour recevoir les fibres et un renforcement mécanique en traction - compression - écrasement, apporté par des porteurs métalli- ques ou en matériaux synthétiques semi-rigides ou souples, ou encore par une association de ceux-ci. Nous rappelons brièvement ces trois types comme.illustré plus amplement dans la revue Commutation et Transmission 1982 n 2, 3 pages 39-54. CABLE A STRUCTURE TUBES: Les fibres sont protégées, individuellement ou par groupe, par des tubes en matière ther- moplastique extrudés sur la ou les fibres avec un jeu radial. Les tubes contenant les fibres sont assemblés en hélice au- tour d'un élément porteur central qui peut supporter à lui seul les efforts de traction ou aussi être aidé par une cein- ture extérieure de fibres de verre ou aramide ou par une gai- ne métallique. L'ensemble est protégé par une gaine en matiè- re plastique extrudée. CABLE A RUBANS ALVEOLES: Les fibres sont placées dans les rainures de deux feuilles rainurées qui sont rapprochés et thermosoudées pour former des canaux dans lesquels les fibres ont une liberté de déplacement. Un empilage de rubans est réalisé et ensuite torsadé. Le tout est recouvert d'une gaine métallique et d'une gaine plastique. CABLE A JONC RAINURE: L'élément de câblage est consti- tué d'un jonc cylindrique rainuré, les fibres étant déposées dans les rainures. Le jonc est constitué d'un matériau ther- moplastique et se trouve renforcé par un porteur central assurant les qualités mécaniques et thermiques de l'ensem- ble. Ce porteur est le plus souvent en acier ou en matériau non métallique à fort module d'Young, tel qu'un composite verre / résine époxy durcissable. Plusieurs- joncs peuvent être assemblés pour former un câble. L'ensemble est enrobé d'une protection extérieure pouvant être constituée d'une gaine métallique ou thermoplastique ou encore de l'associa- tion des deux avec éventuellement des renforts mécaniques. Toutes ces structures nécessitent plusieurs opérations de fabrication et font intervenir des quantités apprécia- bles de matériaux divers pour supporter les fibres et assu- rer la tenue mécanique, ce qui rend les câbles terminés re- lativement coûteux et encombrants. Si l'on considère la caté- gorie des structures à fibres libres, on constate que pour toutes les structures utilisées jusqu'à présent, les espaces libres, dans lesquels les fibres sont installées, sont déli- mités par des matériaux plastiques qui servent de support. Cela amène à mettre en oeuvre dans un câble des quantités proportionnellement importantes de matières plastiques dont on sait qu'elles ont des comportements mécanique et thermi- que très éloignés de ceux de la fibre optique. Leur m odule d'Young est très faible et leur coefficient de dilatation linéaire est supérieur d'un ordre de grandeur de 101 à 102 à celui du verre. Pour compenser l'insuffisance mécanique du support plastique des fibres de ces structures classiques et l'ac- tion défavorable de leurs variations linéaires importantes par rapport à celle de la fibre optique au cours des change- ments de température. par exemple, il est nécessaire d'uti- -3- liser des renforts mécaniques à haut module d'Young et à plus faible coefficient de dilatation linéaire. Ceux-ci ap- portent la tenue mécanique en traction et compression et doivent s'opposer aux variations linéaires excessives du mo- dule plastique. Dans ces conditions, plus la section du ma- tériau plastique sera élevée, plus il sera nécessaire d'aug- menter la section du renfort mécanique, ce qui agit défavo- rablement sur le prix de revient du câble. La présente invention vise à réaliser un câble à fibre optique du type à structure libre mais ne présentant pas ces inconvénients des structures précitées. Tout en conservant les avantages d'une structure à fi- bres libres, l'invention vise à réduire ce problème de con- traintes linéaires et à réaliser un câble optique en une seule opération de fabrication pour en diminuer le prix. L'invention vise également à réaliser un câble optique de section et de poids réduits, ce qui va aussi dans un sens de réduction du coût du câble. Le câble optique de l'invention procure en outre aux fibres optiques une excellente protection contre l'écrase- ment. En outre, le câble optique de l'invention permet, à la fabrication, de positionner correctement les fibres dans les emplacements qui leur sont réservés avec beaucoup de fa- cilité. Le câble optique de l'invention est tel que les fibres optiques 3 sont disposées avec leur surlongueur directement dans les canaux 2 hélicoïdaux de l'élément de renfort (1,5), chaque élément de renfort (1,5) étant formé d'au moins deux brins (10, 11) resp (51, 52) torsadés entre eux, chaque ca- nal 2 étant délimité'par deux brins adjacents (10, 11) (51, 52) du renfort (1,5), chaque canal 2 étant fermé par enveloppe extérieure, la dimension desdits brins (10, 11, 51, 52) étant choisie de façon appropriée, d'une part, pour apporter un renfort linéaire, d'autre part, pour aménager un espace 2 de liberté convenable aux fibres optiques 3. Le câble à.fibres optiques de l'invention comporte des brins (10, 11, 12) (51, 52, 53) choisis dans l'un des maté- riaux suivants: acier, composite fibres de verre / résine -4- durcissable, fibres de carbone / résine durcissable, etc... Le câble à fibres optiquE de I'invention comporte des brins (10, 11, 12) à section circulaire délimitant un espa- ce de liberté 2 à contour curviligne. Selon une autre réalisation, lesdits brins (51, 52, 53) de l'élément renfort 5 ont une section polygonale. De façon avantageuse, les fibres optiques sont noyées dans une matière graisseuse de remplissage. Selon une autre variante, la face extérieure de la tor- sade formée desdits brins (10, 11, 12) de renfort est recou- verte d'un film 6 en matériau souple, par exemple plastique, de très faible épaisseur. En outre, préalablementà la pose d'une enveloppe exté- rieure, après commettage des brins porteurs (10, 11, 12, 51, 52, 53) et des fibres optiques 3 et après éventuellement ad- jonction de matière graisseuse de remplissage, est posé en hélice un ruban 7 autour du module optique, ledit modèle - optique étant constitué desdits brins porteurs (10, 11, 12, 51, 52, 53) et des fibres optiques 3. Selon une autre variante, les fibres optiques 3 sont placées dans des tubes souples de très faible section par rapport au diamètre desdits brins porteurs (10, 11, 12, 13) (51, 52, 53). Selon une particularité de l'invention, les brins por- teurs (10, 11, 12, 13) (51, 52, 53) sont assemblés avec les- dites fibres optiques 3 au moyen d'une même filière 102, le module optique ainsi constitué étant ensuite avantageu- sement recouvert d'un ruban 7 placé en hélice au moyen d'une volette de rubanage 104 puis d'une gaine extérieure 8 au moyen d'une boudineuse 105. Selon une autre particularité de l'invention, les sur- longueurs en fibres optiques sont obtenues en appliquant une force d'allongement auxdits brins porteurs entre un ca- bestan 106 placé en aval de ladite boudineuse 105 et les tourets 101 dévidant lesdits brins porteurs (10, 11, 12, 13) (51, 52, 53). Selon une première réalisation, les tourets(101)(31) dévidant les brins porteurs (10, 11, 12, 13) et les fibres optiques 3 sont entrainés en rotation au moyen d'une même ca- -5- ge tournante 100. Selon une seconde réalisation, les tourets (101) (31) dévidant les brins porteurs (10, 11) (12, 13) et les fibres optiques 3 sont entrainés au moyen de deux cages tournantes (1OOa, 100b) synchrones. Selon une autre particularité, entre lesdites deux ca- ges tournantes (100a, 1OOb), est placé un cabestan donneur 108 recevant lesdits brins porteurs (10, 11, 12, 13) toron- nés au moyen d'une filière 109, ledit cabestan 108 coopérant avec ledit cabestan 106 placé en aval de la boudineuse 105 pour appliquer un effort de traction audit toron (1,5) correspondant à la surlongueur de fibre optique 3 souhaitée. D'autres avantages et caractéristiques apparaitront à la lecture de la description suivante illustrée par des dessins. Les figures la, lb, lc, ld représentent schématique- ment différents exemples de modules optiques par câble à fibres optiques suivant l'invention. La figure 2 représente une variante de la figure lb. La figure 3 représente une autre variante de la figure lb. La figure 4 représente un câble optique terminé, formé d'un seul module selon la figure lb. La figure 5 représente dans des variantes a, b, c trois procédés selon l'invention pour fabriquer les câbles opti- ques selon les figures 1, 2, 3. En se référant à la figure 1, l'invention consiste essentiellement à réaliser un module composite constitué de brins porteurs et de fibres optiques intercalées entre les brins porteurs. L'ensemble des éléments, brins porteurs et fibres optiques, est câblé en hélice continue ou à sens al- terné. La figure 1 b représente un cas particulier pour le- quel trois brins (10, 11, 12) sont torsadés pour constituer l'élément porteur 1. La figure la représente un cas à deux brins porteurs (10, 11) torsadés également. La figure lc représente un module comportant un élément porteur 1 consti- tué de quatre brins (10, 11, 12, 13) torsadés. On pourrait augmenter le nombre de brins mais l'élément porteur 1 per- drait de la souplesse et on utilise avantageusement un nom- -6- bre compris entre 2 et 5 brins porteurs. Ainsi qu'illustré sur la figure lc, les brins porteurs (10, 11, 12) ont une section circulaire de telle sorte que deux brins adjacents délimitent un canal 2 en hélice servant d'espace de liberté pour au moins une fibre optique 3. L'exemple de la figure ld représente un toron formé d'un élément porteur 1 à deux brins (10, 11) torsadés en hélice, chaque canal 2 recevant deux fibres optiques 3. L'ensemble des éléments, porteurs (10, 11, 12) et fi- bres optiques 3, est câblé en hélice continue ou à sens al- terné. Le pas de l'hélice est déterminé pour obtenir la sur- longueur de fibre 3 nécessaire pour supporter les contrain- tes mécaniques et thermiques auxquelles le câble sera soumis, compte tenu de la dimension, du canal 2 ou espace de liberté laissé entre les brins porteurs (10, 11, 12, 13,...). -7- En association, la dimension des brins (10, 11, 12, 13,...) est également déterminée en tenant compte des contraintes mécaniques supportées par le câble et de l'espace libre né- cessaire pour éviter toute contrainte sur la fibre 3 après sa mise en place. Les brins porteurs (10, 11, 12, 13) sont en matériaux métalliques ou non métalliques à haut module d'Young et à faible coefficient de dilatation linéaire par rapport aux matériaux thermoplastiques. Les brins porteurs (10, 11, 12, 13) sont avantageusement réalisés en acier ou en composite verre/résine durcissable ou encore en composi- te fibre de carbone / résine durcissable. Parmi les résines durcissables, on compte en particulier les résines epoxy, le polyester, etc... Comme on peut l'observer, le toron 1 supportant les fi- bres optiques 3 n'est constitué selon l'invention que des brins porteurs (10, 11, 12) en ne faisant appel à aucun ma- tériau thermoplastique, ce qui supprime les inconvénients apportés par l'emploi de ceux-ci comme déjà rappelés ci- avant. La surlongueur nécessaire aux fibres optiques 3, pour supporter sans contrainte les efforts de traction et de compression auxquels le câble sera soumis pendant son utili- sation, est assurée au moment de la réalisation du toron en appliquant sur les brins porteurs (10, 11, 12, 13,...) la force nécessaire pour obtenir l'allongement recherché ain- si qu'il apparaitra dans la suite de la description. Dans certains cas, pour tenir des conditions d'étanché- ité longitudinale du câble ou de stabilité du toron de brins porteurs, il peut être nécessaire de prévoir un bourrage 4 au centre de la torsade, comme représenté figure lc. La figure 2 représente une variante de réalisation de la figure lb. Le module optique est également formé d'un élément porteur 5 constitué de brins (51, 52, 53) torsadés en hélice et de fibres optiques 3. Les brins (51, 52, 53) constituant l'élément porteur 5 présentent toutefois une sec- tion de forme polygonale choisie pour obtenir un appui très stable entre brins et donnant une forme triangulaire simple au canal formé entre brins adjacents. Il peut être intéressant, comme représenté sur la figu- re 3, de recouvrir d'un film plastique 6 de très faible épaisseur, de l'ordre de quelques dizièmes de millimètres, la surface extérieure du toron 1 de brins porteurs (10, 11, 12) pour maintenir les fibres 3 au dessus du point de tangen- ce des brins porteurs (10, 11, 12), afin d'éviter qu'elles se Coincent entre ceux-ci. Il serait également possible d'insérer, dans les canaux 2 des renforts (1, 5), des fibres 3 optiques placées dans des tubes ou gaines plastiques, quoique cette réalisation fasse partiellement perdre les avantages présentés par l'in- vention. A titre d'exemple, la figure 4 représente une coupe de câble terminé selon l'invention, composé de trois brins por- teurs (10, 11, 12) supportant trois fibres optiques 3. L'étanchéité longitudinale est assurée par une matière grais- seuse remplissant les espaces laissés libres 2. La protec- tion extérieure est constituée d'un ruban polyester 7 et d'une gaine plastique 8. Un câble avec la structure repré- sentée sur la figure 4, possédant trois fibres 3 optiques et pouvant supporter un effort de traction de 220 daN et des pliages sur un rayon de 50 mm, a un diamètre extérieur de l'ordre de 5 mm en appliquant une gaine de protection exté- rieure d'épaisseur 0,8 mm. Avec une gaine de protection de même épaisseur, un câble classique à jonc rainuré de mêmes performances a un diamètre extérieur voisin de 7 mm, ce qui lui donne une section droite environ deux fois plus élevée que celle du câble selon l'invention. Toutefois, un câble optique selon l'invention peut en- core être formé d'un assemblage de modules optiques selon l'une des variantes des figures 1 à 3, chaque module étant recouvert avantageusement d'un ruban polyester 7 ou d'une gaine plastique ou encore de l'association des deux, chaque module comportant un nombre approprié de fibres optiques, l'ensemble étant recouvert d'une gaine plastique de protec- tion extérieure. Compte tenu de la bone tenue mécanique de chacun de ces modules, il n'est pas indispensable d'ajouter un renfort mécanique supplémentaire au câble optique ainsi formé. Les figures 5a,.5b et 5c montrent schématiquement trois -9- réalisations différentes d'équipements permettant d'obtenir la surlongueur recherchée pour les fibres optiques sur une ligne de fabrication suivant l'invention. La figure 5a représente une ligne de fabrication com- prenant une seule cage tournante 100 portant les bobines 101 sur lesquelles sont installés les brins porteurs (10, 11, 12, 13) et les bobines 31 o sont enroulées les fibres opti- ques 3. La force appliquée sur chacun des brins porteurs (10, 11, 12, 13) permet d'obtenir l'allongement recherché du toron porteur entre la cage 100 et le cabestan de tirage 106 afin de donner aux-fibres optiques 3 la surlongueur né- cessaire lorsque le toron se trouve détendu après son passa- ge sur le cabestan 106. Les fibres optiques sont câblées avec une tension très faible de l'ordre de 50 grammes en passant dans la même filière tournante 102 que celle assurant le câblage des to- rons porteurs (10, 11, 12). La volette de rubanage 104 per- met la pose en hélice d'un ruban 7 autour du module optique ainsi constitué. La boudineuse 105 assure l'extrusion d'une gaine extérieure 8. Un dispositif 103 d'injection de matiè- re graisseuse de remplissage permet d'assurer l'étanchéité longitudinale du câble si celle-ci est demandée. Ce disposi- tif 103 d'injection est placé entre le point de commettage 102 et la volette de rubanage 104 sur la ligne de fabrica- tion du câble optique de l'invention. Le câble optique selon l'invention, ainsi fabriqué, est disponible sur le touret 107 à la suite d'une seule opération. Le toron porteur (1,5) est fabriqué en même temps que le câble optique proprement dit. La figure 5b est une variante de 5a dans laquelle la cage tournante unique 100 est remplacée par deux cages sépa- rées 100a et 100b tournant de façon synchrone. La cage 100a porte les brins porteurs (10, 11, 12, 13, 51, 52, 53) et la cage 100b les fibres optiques 3. La ligne de fabrication à cette variante près est identique à celle de la figure 5a. Selon les variantes des figures 5a et 5b, la surlongueur en fibre optique 3 est obtenue en appliquant un effort sur le touret 101 supportant les brins porteurs (10, 11, 12, 13, 51, 52) vers l'arrière. - 10- La figure 5c représente une autre variante de réalisa- tion du câble optique de l'invention pour laquelle les cages tournantes (100a, 100b) des brins porteurs (10, 11, 12, 13, 51, 52, 53) et des fibres optiques 3 respectivement sont synchrones comme selon la figure 5b. Toutefois, on intercale entre ces deux cages 100a et 100b un cabestan donneur 108. Ce cabestan 108 reçoit le toron porteur (1,5) issu d'un point de commettage 109. Ce point de commettage 109 reçoit les brins porteurs (10, 11, 12, 13, 51, 52, 53) issus des tourets 101 et entrainés par la cage tournante 100a. La force appliquée sur le toron porteur (1,5) est rigou- reusement régulée et contrôlée entre les deux cabestans 108 et 106 pour obtenir avec précision la surlongueur souhaitée pour les fibres optiques 3. Le câble optique est obtenu de la même façon au niveau du touret 107.. Un avantage important procuré par un câble à fibre opti- que conforme à l'invention est d'assurer une excellente pro- tection des fibres contre l'écrasement. Celles-ci sont proté- gées directement par les brins porteurs, massifs et durs, ce qui confère au câble optique de l'invention une très bonne tenue à l'écrasement. Il faut aussi ajouter un avantage supplémentaire pour la fabrication du câble, avec une plus grande facilité à po- sitionner correctement les fibres dans les emplacements qui leur sont réservés. En effet, les opérations de pose des por- * teurs et des fibres optiques se faisant simultanément sur la même ligne de fabrication, il est très facile d'assurer une parfaite synchronisation du câblage des brins porteurs et des fibres optiques. L'invention est particulièrement bien adaptée à une fa- brication économique de câbles contenant un nombre réduit de fibres optiques inférieur à la dizaine sans pour autant que cette valeur soit limitative. En effet, pour un câble optique d'une structure donnée, l'importance relative sur le coût du câble des matériaux auxiliaires utilisés (modu- les plastiques et porteurs) est d'autant plus grande que le nombre de fibres optiques que contient le câble est faible si l'on se reporte au prix à l'unité de longueur de fibre installée. Il en est de même pour les temps de fabrication. - 11 - C'est donc vers les câbles contenant les plus faibles quan- tités de fibres optiques que se feront le plus sentir les gains de matériaux auxiliaires et de temps de fabrication qu'apporte la structure selon l'invention. Pour obtenir un câble optique contenant un nombre élevé de fibres optiques et conserver ces avantages de coût et qua- lités mécaniques, il est possible de procéder à un assembla- ge de plusieurs modules optiques comme décrits à l'aide des figures 1 à 3. La bonne tenue mécanique de chacun des modu- O10 les optiques permet généralement d'éviter l'utilisation d'un renfort mécanique supplémentaire, une simple gaine extéri- eure suffisant. Il est bien évident que toutes sortes de protections extérieures peuvent venir en complément à la gaine plasti- que enveloppant le module optique sans pour sortir autant du cadre de l'invention. Il en est ainsi lorsque des renforts mécaniques supplémentaires sont mis en périphérie du câble pour améliorer une tenue à un effort de traction par exem- ple. - 12 - REVENDICATIONS 1 - Câble à fibres optiques comportant des fibres opti- ques (3) avec un jeu radial, un élément de renfort (1,5) formé d'au moins deux brins (10, 11) resp (51, 52) torsadés entre eux et une enveloppe extérieure, câble caractérisé par le fait que les fibres optiques (3) sont disposées avec leur. surlongueur directement dans les canaux (2) hélicoidaux dé- limités par deux brins adjacents (10, 11) resp (51, 52), chaque canal (2) étant fermé par ladite enveloppe extérieu- re, la dimension desdits brins (10, 11, 51, 52) étant choisie de façon appropriée, d'une part, pour apporter un renfort linéaire, d'autre part, pour aménager un espace (2) de liber- té- convenable aux fibres (3). 2 -Câble à fibres optiques selon la revendication 1 ca- ractérisé par le fait que les brins (10, 11, 12) (51, 52, 53) sont choisis dans l'un des matériaux suivants: acier, com- posite fibres de verre / résine durcissable, fibre de carbone / résine durcissable, etc... 3 - Câble à fibres optiques selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisé par le fait que lesdits brins (10, 11, 12) ont une section circulaire délimitant un espace de liberté (2) à contour curviligne. 4 - Câble à fibres optiques selon l'une des revendica- tions 1, 2, 3, caractérisé par le fait que lesdits brins (51, 52, 53) de l'élément renfort (5) ont une section poly- gonale. - Câble optique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les fibres optiques sont noyées dans une matière graisseuse de remplissage. 6 - Câble optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la face extérieure de la tor- sade formée desdits brins (10, 11, 12) de renfort est recou- verte d'un film (6) en matériau souple, par exemple plasti- que, de très faible épaisseur. 7 - Câble optique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que, préalablement à la pose d'une enveloppe extérieure, après commettage des brins porteurs (10, 11, 12, 51, 52, 53) et des fibres optiques (3) et après éventuellement adjonction de matière graisseuse de rem- - 13 plissage, est posé en hélice un ruban autour du module opti- que, ledit module optique étant constitué desdits brins por- teurs (10, 11, 12, 51, 52, 53) et des fibres optiques (3). 8 - Câble optique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les fibres optiques (3) sont placées dans des tubes souples de très faible section par rapport au diamètre desdits brins porteurs (10, 11, 12, 13) (51, 52, 53). 9 - Procédé de fabrication d'un câble optique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que lesdits brins porteurs (10, 11, 12, 13) (51, 52, 53) sont assemblés avec lesdites fibres optiques au moyen d'une même filière (102), le module optique ainsi constitué étant ensui- te avantageusement recouvert d'un ruban placé en hélice au moyen d'une volette de rubanage (104) puis d'une gaine exté- rieure (8) au moyen d'une boudineuse (105). - Procédé selon la revendication 9 caractérisé par le fait que les surlongueurs et fibres optiques sont obtenues en appliquant une force d'allongement auxdits brins porteurs entre un cabestan (106) placé en aval de ladite boudineuse (105) et les tourets (101) dévidant lesdits brins porteurs (10, 11, 12, 13) (51, 52, 53). 11 - Procédé selon l'une des revendications 9, 10, ca- ractérisé par le fait que les tourets (101) (31) dévidant les brins porteurs (10, 11, 12, 13) et les fibres optiques (3) sont entrainés en rotation au moyen d'une même cage tour- nante (100). 12 - Procédé selon l'une des revendications 9, 10, ca- ractérisé par le fait que les tourets (101) (31) dévidant les brins porteurs (10, 11, 12, 13) et les fibres optiques (3) sont entrainés au moyen de deux cages tournantes (100a, b) synchrones. 13 - Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait que, entre lesdites deux cages tournantes (100a, 100b), est placé un cabestan donneur (108) recevant lesdits brins porteurs (10, 11, 12, 13) toronnés au moyen d'une filière (109), ledit cabestan (108) coopérant avec ledit cabestan (106) placé en aval de la boudineuse (105) pour appliquer un effort de traction audit toron (1,5) correspondant à la surlongueur de fibre optique (3) souhaitée.