EuroWire March 2015

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Article technique
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optique, c’est-à-dire la probabilité d’une
rupture de la fibre pendant les essais.
Cette probabilité n’est pas constante et
peut varier dans les fibres fabriquées dans
différentes conditions ou en utilisant les
matières premières.
La Figure 1 montre une courbe de
probabilité d’erreur pour une fibre de silice
générée par un équipement de l’auteur
en utilisant une longueur de référence de
10m pour illustrer une gamme de défauts
rencontrés dans les fibres optiques.
La figure montre deux zones: la zone
I (résistance intrinsèque) et la zone II
(résistance extrinsèque). La courbe illustre
les principales zones exigeant d’être
caractérisées pour prédire la fiabilité à
long terme de la fibre.
La zone I est la zone de haute résistance
intrinsèque. La fibre étudiée montrait la
résistance intrinsèque du verre à ~4,6GPa,
qui est considérablement supérieure à
la limite de 3,1GPa recommandée par
la norme Telecordia Gr-20. L’essai de
résistance avec une longueur de référence
courte dans cette zone peut être utilisé
pour déterminer la valeur n, qui est
supérieure à 20 pour la fibre examinée.
La résistance intrinsèque et les valeurs
n sont typiquement spécifiées par les
utilisateurs finals pour garantir la fiabilité à
long terme du câble.
Malheureusement, la portion extrinsèque
indiquée comme zone II, joue un rôle
important dans la caractérisation de la
fiabilité à long terme du câble optique.
Cette zone contient des défauts plus
proches du niveau d’essai et ces derniers
sont espacés à une distance pouvant être
également de plusieurs kilomètres.
Au fil du temps, ces défauts peuvent
amener à des ruptures de la fibre si
le câble est laissé sous tension. La
compréhension de cette zone exige
des informations qui ne peuvent être
obtenues qu’en mesurant plusieurs
kilomètres de fibre. Des niveaux d’essai
plus élevés permettront d’éliminer certains
des défauts plus importants de la fibre.
Toutefois, il est difficile de déterminer
avec précision l’effet sur la fiabilité de
la fibre optique dans un câble installé
sans plus d’informations concernant la
distribution générale des défauts dans
la fibre. Une façon pour expliquer cela
pourrait consister à soumettre le câble de
fibre optique à un essai à un niveau proche
de la résistance intrinsèque de la fibre ou
à environ 3,8GPa (550kpsi). Si l’on soumet
un échantillon de fibre de 1 000m générée
par cette expérience à un effort constant
de 110kpsi, on aurait probablement la
rupture de la fibre en l’espace d’un jour ou
bien avant les 40 ans de durée prévue.
Cet exemple représente un cas extrême,
mais souligne également qu’il est
important de comprendre les équations
complexes qui règlent la fiabilité.
4 Instructions
dérivées du rapport
technique IEC
concernant la
fiabilité
L’un des modèles de fiabilité accepté
actuellement a été publié par IEC[4]. Une
des équations indiquées dans ce rapport
est utilisée pour prévoir la durée de la
fibre - l’équation de la durée pour la fibre
optique après l’avoir essayée (proof-test))
et peut être représentée par l’expression
suivante:
Où:
tf est le temps qui précède le défaut
(durée)
tp est le temps d’essai (proof-test)
σp est la tension d’essai ( proof-test)
σa est la tension appliquée
F est la probabilité du défaut
N p est le taux de rupture durant l’essai
L est la longueur sous tension
md est le paramètre mWeibull de la fatigue
dynamique
n est le paramètre de la corrosion sous
tension
L’expression est complexe, mais il est
toutefois possible de faire quelques
remarques.
La Figure 1 montre que plus l’effort
appliqué est grand, plus la probabilité
de défaut est fréquente. Il s’ensuit que
le terme de probabilité de défaut dans
l’équation, F, est en relation directe avec
le terme d’effort appliqué, σa. Le procédé
empirique traditionnel utilisé pour obtenir
20 pour cent de la contrainte d’essai
comme charge maximale admissible à
long terme présuppose que les deux
variables sont indépendantes, ce qui
n’est pas cohérent avec la Figure 1. Il est
nécessaire d’essayer des centaines de
kilomètres de fibre pour une connaissance
approfondie de la relation entre la
fréquence de défaut et l’effort appliqué.
Le Tableau 1 présente les résultats
comparatifs de trois scénarios. Le premier
est constitué d’une fibre testée à 0,69GPa
avec une charge à long terme de 20 pour
cent de la charge d’essai (proof-test).
Pour générer les données, les valeurs
suivantes ont été remplacées dans
l’Équation 1:
n d =20
md = 2,5
tp = 0,05 secondes
Np = 1 rupture tous les 250km
Le tableau montre qu’une fibre optique
qui répond aux critères conservatifs cités
plus haut, présenterait des performances
mécaniques raisonnables pour l’essai à
0,69GPa à 20 pour cent du niveau d’essai.
Le deuxième cas montre que la même
fibre a été maintenue à 40 pour cent du
niveau d’essai. Dans ce cas, la fréquence
de défaut de 1ppm serait atteinte en
moins d’un an. Dans le troisième cas, il
s’agit d’une fibre essayée à 1,38GPa avec
une charge à long terme de 20 pour cent
du niveau d’essai. Dans ces conditions
spécifiques, la probabilité de défaut de
1ppm se manifeste en moins de six ans.
Il faut remarquer que les données du
Tableau 1 sont représentatives de la fibre
dans un environnement non agressif.
Les termes tels que le vieillissement en
l’absence de tension, les macrocourbures,
l’abrasion et d’autres facteurs peuvent
réduire considérablement la durée de la
fibre.
5 Discussion
La durée de la fibre est la somme de
la probabilité du défaut intrinsèque
et extrinsèque. Le présent article se
concentre en particulier sur les longs traits
de la fibre soumise à la charge axiale dans
un régime où le défaut est dominé par les
défauts extrinsèques.
Les résultats illustrés dans le Tableau 1
soulignent le défaut dans la spécification
commune pour les câbles optiques, selon
lequel la charge à long terme dans les
Probabilité de
défaut de 1km de
fibre optique
Fibre testée à
0,69GPa à 20 pour
cent de charge à
long terme
Fibre testée à
0,69GPa à 40 pour
cent de charge à
long terme
Fibre testée à
1,38GPa à 20 pour
cent de charge à
long terme
1,0ppm par km 1,600 années 0.0 années 530 années*
1,0ppm per 100km 16 années 0.0 années 5.3 années*
* La fréquence de défaut varie considérablement en modifiant les valeurs d’essai
(proof-test) de 0,69GPa à 1,38GPa
▲ ▲ Tableau 1: Comparaison entre probabilité de défaut (durée de 1 ppm)