Les fibres optiques sont fabriquées soit de verre à composants multiples à base de silice et de divers oxydes et carbonates, ou à partir de verre à haute teneur en Si02. Bien que de tels verres soient considérés parfaits, ils contiennent néanmoins certaines impuretés. À titre comparatif, on estime le taux d’impuretés dans le verre de bouteille à 10 kg/tonne tandis qu’il est de 1 mg/tonne dans le verre de silice [SURMELY, 1995]. Les impuretés et les divers défauts comme les bulles d ’air ou les microfissures conduisent à l’atténuation du signal optique ainsi qu’à la dégradation de la résistance mécanique de la fibre. La figure 3.12 montre certains défauts d ’une fibre optique.
3.4.1 Atténuation
Un signal optique de puissance P0, injecté à l’entrée d’une fibre, subit après une propagation de x km dans la fibre, une perte de puissance. On récupère alors en sortie un signal de puissance P égale à:
P - P , * * (3-5)
où a est le coefficient d’atténuation linéique, en dB/km. Ce coefficient représente la somme des pertes dans la fibre. Les causes de l’atténuation peuvent être divisées en trois catégories: absorption, courbures et microcourbures, dispersion.
Microcourbures
Impureté
Figure 3.12 Défauts des fibres optiques (d’après Sunnely, 1995)
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Fibres optiques et capteurs
Ces divers phénomènes ont été brièvement expliqués à la section 3.2. Ajoutons seulement que l’absorption est liée à l’interaction avec divers ions (impuretés) dans la structure. Quant aux courbures et microcourbures, elles modifient localement l’angle d’incidence du faisceau lumineux, causant ainsi sa réfraction donc l’éjection de ce dernier dans la gaine optique. Finalement, les effets Rayleigh, Brillouin et Raman sont responsables des pertes par dispersion [DAVIES & coll., 1986].
3.4.2 R ésistance
Le comportement mécanique d ’une fibre optique est très différent de celui d’un fil métallique. Les fils métalliques se brisent lorsqu’ils atteignent des déformations de l’ordre de 0,5% et des contraintes de 1500 MPa en traction. Du reste, une fibre optique exempte de micro fissure demeure dans le domaine élastique à des déformations d'environ 10%, ce qui correspond à des contraintes de l’ordre de 5000 MPa en traction [DAVIES & coll., 1986]. Mentionnons qu'une fibre optique comportant des défauts présente des valeurs typiques de résistance à la traction se situant autour de 1400 MPa [GOFF, 1996].
La principale différence entre ces matériaux, du point de vue du comportement mécanique, est leur ductilité. Le métal présente un comportement ductile ce qui le rend malléable tandis que le verre est fragile. Une microfissure dans le verre constitue une zone de concentration de contrainte qui, sous une sollicitation mécanique, peut se propager rapidement jusqu’à provoquer la rupture de la fibre. La résistance mécanique des fibres optiques est intimement liée à la présence de défauts dans celles-ci et les calculs de résistance font alors intervenir les concepts de mécanique de la rupture [KURKJIAN & coll., 1993].
Du point de vue de la résistance aux agressions chimiques, si on fait référence au cas particulier d'une fibre enfouie dans le béton, celle-ci est très vulnérable si elle n'est pas bien protégée. HABEL & coll. [1997] présentent une étude du comportement de capteurs et de fibres optiques enfouis dans des mortiers ou placés dans des solutions de composition qui s'apparentant à celle d'un béton. Les fibres optiques et capteurs sont protégés; parmi les divers types de protection on
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Ch a p it r e 3
note le polyimide, l’acrylate et un matériau thennoplastique. n ressort de cette étude que la longévité des fibres avec les diverses protection varie de 21 jours à 5 mois et diverses dégradations sont observées: microfissures, écaillement, bombement, déformations concen triques.
En ce qui a trait à la résistance des fibres optiques, il faut mentionner que les fibres à nu sont rarement utilisées directement Toutefois, lors des étapes d ’in stallation et de connexion, il faut dégainer la fibre, la rendant ainsi mécaniquement vulnérable. Lorsque la fibre ne sert que de support pour la transmission du signal, on utilise diverses gaines de protection extérieures. Ainsi, on parlera de cable à fibre optique. Selon le type de protection extérieure, les câbles à fibre optique ont une bonne résistance mécanique et chimique pour les applications pratiques autant pour les télécommunications que pour 1 ’instrumentation. La figure 3.13a montre une représentation schématique d'un câble à fibre optique disponible sur le marché.
Fibre optique
Kevlar
Gaine mécanique b)
Figure 3.13 Câble à fibre optique, a) représensation schématique des diverses protections de la fibre optique et b) schéma et photographie d'une section de câble à fibre optique.
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Kevlar
Fibres optiques et capteurs
La gaine mécanique constitue une gaine primaire qui est installée par le fabricant de fibre optique.
«
A partir de là, on construit le câble à fibre optique en choisissant une jaquette de protection externe et, selon le domaine d'application, divers matériaux peuvent être employés: PVC, élastomère, Hypalon®, Kynar® ,Tefzel®, Teflon®, etc. De plus, le câble est constitué d'un organe de renfort comme le Kevlar, généralement placé entre la gaine mécanique primaire et la jaquette externe, permettant ainsi de résister à des forces de tension allant de 200 à 2500 N. Le tableau 3.1 présente diverses caractéristiques d'un câble de type Simplex comme celui illustré à la figure 3.13. Mentionnons que certaines des valeurs de ce tableau sont obtenues par des essais normalisés. En effet, il existe toute une panoplie de nonnes applicables au domaine des fibres optiques.
Tableau 3.1
Caractéristiques d'un câble à fibre optique Type Thrifty-Bit™ Simplex 50/125
(d’après Northern Light Cable inc.)
Diamètre du câble (nominal) 2,95 mm
Poids du cible 24 Ibs/km
Résistance aux impacts 50 impacts
Flexion 1000 cycles
Température d'opération -20 à +70 °C
Température d'installation 0 à +70°C
Charge de tirage maximum 400 N
Charge max. en opération 100 N
Rayon de courbure min. (sans charge) 3 cm
Diamètre du coeur 50 ±3 pm
Diamètre de la gaine optique 125 ± 2 pm
Diamètre de la gaine mécanique 250 pm
Atténuation maximale 850nm/1300nm 3.5/1.2 dB/km