JPS597361B2 - 光フアイバ海底ケ−ブル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は低損失光ファイバを伝送媒体とする光１５ファ
イバ通信の分野において、特に長距離光ファイバ海底ケ
ーブルに適したケーブル構造に関するものである。

光ファイバは低損失性、広帯域性、無誘導性、軽量性な
どの特長を有しているため、広帯域伝送２０媒体として
非常に有利である。

そのため、光ファイバをケーブル化して大容量の通信を
行おうとする試みが広く各方面で行われており、特に光
ファイバの広帯域性、低損失性に着目した海底ケーブル
ヘの適用例もいくつか報告されている。２５例えば、公
開特許公報特開昭５１−９９０３２号の「海底ケーブル
」によれば第１図のような構造をとつている。

第１図ａは細径であることを特徴とした一本の耐圧パイ
プを用いたケーブル構造の一例である。光ファイバ素線
１に被覆２を施し３０た光ファイバ心線４本と、絶縁層
９を施した給電線７を２本テンションメンバ８の回りに
集合し、その回りを断熱層３で覆い、これによりパイプ
形成時の熱を光ファイバに伝えないようにしている。そ
の外側は光ファイバに局部圧力がかかるのを防３５ぐた
めの圧力緩衝層４で包み、それらを耐圧パイプ５が保護
ｉ、、ている。６は保護プラスチックである。

第１図ｂはａのユニットを集合１｜たケーブルである。

中心にテンシヨンメンバ１０を置き、回りに６本の耐圧
パイプ１１を集合し２、プラスチツク１２で固定してい
る。その回りを防水層１３で覆い、さらにそれをプラス
チツク１４で保護している。また、第１図ａのユニツト
で給電線を高圧パイプの外側に配置する場合は第１図ｃ
のような構成となる。１５が給電線であり、それ以外は
第１図ｂと同じ構造である。

今このケーブルを長距離海底ケーブルとし２て使用１，
た場合、第１図ａまたはｂのような耐圧パイプ内に給電
線がある構造では耐圧パイプを非常に太径にしなくては
ならなくなる。

その理由は、例えばシステムとして日本ーハワイ間を結
ぶ海底ケーブルを考えた場合、電話１２０００回線の伝
送を実現するため必要な給電電圧は、１個の中継器に必
要な電圧を３２Ｖとすると０．５Ω／Ｉｃｍという比較
的小さな抵抗値をもつ給電線を使用した場合でも１６５
００Ｖになり（伝送速度４００Ｍｂｉｔ／ｓで２システ
ム、中継数２４８）、給電線として銅を使用した場合で
も太さは６．６４ｍ１Ｌ必要で、これを光フアイバと共
に耐圧パイプ内に入れると、！水深８０００ｍの水圧に
耐えるためには少くともパイプ内径は十数ミリ、パイプ
肉厚は５詣程度必要になるからである。

これは細径パイプではなくなり、従つてこの先願発明で
主張しているような細径であるため製造が容易（この先
願発明ではロールフオーマで成形する方法）であるとい
うパイプ製造上の特長は失なわれる。実際厚肉パイプを
この先賦発明に明記されている成形法で製造することは
非常に困難である。従つて、この構造による長距離深海
用の海底ケーブルを実現することは極めて困難となる。
次に、第１図ｃのような構造では給電線が耐圧パイプの
外に出ているため、パイプの内側には給電線は必要がな
い。

しかし、この場合もパイプの内側には光フアイバの他断
熱層、圧力緩衝層が必要である。特に断熱層はパイプ製
造時の熱を光フアイバに伝えないためのものであるため
非常に重要であり、充分な断熱効果をもたせなくてはな
らない。従つて、これらを数本の光フアイバと共にパイ
プ内に入れた場合、この先願発明で述べているような内
径１ｍｍにすることは難しく、もつと大きな内半径が必
要であり、従つて必然的に肉厚は厚くなり、この場合も
パイプの製造は成形法ではフη 困難になる。

またケーブル全体としてみた場合８０００ｍの深海に布
設することを考えると、給電線ばかりかテンシヨンメン
バもかなり太くなる。

従つて、この構造によれば、太い給電線と太いテンシヨ
ンメンバが一列に配置されているため、ケーブル径は太
くなりかつその方向に対して曲げにくいという経済上か
つ布設上の大きな欠点もある。また、光フアイバがケー
ブルの中心にないため、らせんピツチによる長さの損失
もあり経済的ではない。従つて、この構造による長距離
深海用の海底ケーブルは製造も困難でまた経済的にも布
設上の取扱いからも適していない。その他にも特開昭５
１一１２１３４２号に「光フアイバケーブル」と称する
第２図のような構造例がある。ここで１６は光フアイバ
心線、１７は空間又はゼリー状物質、５は耐圧パイプ、
１８は軟かいプラスチツクあるいはゴム等、１０はテン
シヨンメンバ、１９はケーブル外被である。この構造で
給電線が耐圧パイプと兼用される場合には、前述したよ
うに給電線が太径となるので、耐圧パイプは厚肉となり
、この第２の先願発明に明記されているパイプ製造法（
パイプ押し出し法か又は前述の「海底ケーブル」と同じ
成形法）では製造は困難である。また給電線がパイプの
内部にある場合も同様である。給電線がパイプの外側に
ある場合には、第１図ｃと同・様な構造になるので、ケ
ーブル全体をみた場合、第１図ｃの場合と同じ理由によ
り長距離深海用の海底ケーブルには適さない。このよう
に、従来考えられていた光フアイバ海底ケーブル構造は
耐圧パイプを押し出し法や口ールフオーマを使つた成形
法によるため、耐圧層製造時に加熱され、また外力も加
わるため、光フアｋイバに悪影響を乃ぼすことになる。

従つて、パイプの製造に関しては熱を加えず又外力も加
えずに厚肉細径の長尺の耐圧層を製造できることが望ま
しい。これは従来の円筒管製造法では困難である。本発
明はこれらの点に着目し、光フアイバを外圧から保護し
その製造は容易でかつ加熱を必要とせず又外力もカロわ
らない構成の厚肉の耐圧層を用い、これによりケーブル
構造の単純化と製造の簡単化を図り、さら番こ必要によ
り耐圧層の内側に防水用のダムを設けるかまた海水の浸
入を防ぐための粘性の高い液体を入れることにより障害
防止対策の実施も容易な経済的な光フアイバ海底ケーブ
ルを提供するものである。以下図面を用いて本発明を詳
細に説明する。

第３図は本発明による耐圧層の代表的な構造例である。
第３図ａはいくつかの片に等分割した耐圧材料を合わせ
て一本の耐圧層にしたものである。本例においては、分
割数を３としている。これは、２分割（半環体）、４分
割など偶数分割ではケーブル化後、耐圧層の中心からみ
て同一直径上の両側に個片のつき合せ面が位置すること
となり、外力により各分割個片のずれが生じやすいのに
対し、奇数分割の場合は、各個片は断面がくさび形状と
なり、個片のつき合せ面は同一直径上に位置しないため
、ケーブルに水圧が加わつたときくさび効果を生じ、各
個片は相互に位置調整を行い円筒形状を正常に保つ効果
がある。しかし、分割個数が多いときには都各個片につ
いて所要の強度と精度を維持しかつ製造時に正常な円筒
形に形成することが困難になるので、最小の奇数分割で
ある３分割が最適の分割数である。この構造では、光フ
アイバ心線１６を中心に置き回りから断面扇形の異形線
２０を連続的に合わせながら一本の円筒状の耐圧層を形
成するものである。この耐圧層材料は深海の海水圧（例
えば８０００ｍの深海で８００気圧）に耐え得るものを
使用する。これらの片を合わせる場合、第３図ｂのよう
に各片間の相対的な位置ずれが起きないように各片に溝
とそれに合致する突起をつけることもできる。また、第
３図ｃのように多層形にして厚肉の耐圧層を製造するこ
ともできる。これらの耐圧層各片に密着性をもたせるた
めに各片の合せ目を接着剤で固定することが考えられる
が、組合わされた耐圧層の上をアルミニウムテープ等で
テープ巻きして固定することもできる。これらの耐圧層
は各分割片２０が全く同じ形をしているためこの異形線
の製造は長尺の丸線を扇形のダイス引き抜きでできるの
で簡単で経済的に製造可能である。

また、このような耐圧層の製造にあたつては、各分割要
素が相互に圧着されることにより所要の耐圧特性が得ら
れるので、その工程において耐圧層各分割片の相対位置
の固定を強固にさえすればよく、熱を加える必要はない
ために断熱層の必要もなく、また、光フアイバ被覆の−
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たりすることもなく、光フアイバの伝送特性に悪影響を
及ぼすことがない。また、ケーブルに機械的な曲げ、ね
じれ等がランダムに生じた場合、各分割片は同形である
ため各片には均等な力がかかるため、どこか一部がこわ
れ易くなることはない。海底ケーブルが布設中あるいは
布設後に万一事故を起こし破損した場合、耐圧層内に海
水が浸入するので、数十紬の一中継区間分をすべて取替
えねばならなくなる。

これを避けるため、本発明では耐圧層内に適当な間隔を
おいて防水用のダムを設ける構造が採用できる。これに
より、事故による耐圧層の破損がおこつても、そのダム
区間だけを取替えればよいことになる。第４図は耐圧層
内に設けたダムの様子を示したものである。耐圧層２３
の中に光フアイバ心線１６が納められており、接着剤等
によりダム２２が適当な間隔で設けられている。今耐圧
層にかかる水圧をＰｅ，耐圧層の内径をｒとした時、ダ
ムの必要長ｌは次式に占り計算される。フ ここでτｓは接着剤と耐圧層内面間の単位面積当りの剪
断力である。

水深８０００ｍの場合についてこの関係を第５図に示す
。図中横軸は耐圧層の内径であり、縦軸は必要なダム長
を表わしている。パラメータは許容剪断力の大きさであ
り、許容剪断力が大きいほどダム長は短くてすむことが
わかる。通常のエポキシ系接着剤と金属間でのτｓは０
．５ｋ９／Ｍ７ｌ−０．７ｋ９／Ｍｄであるので、耐圧
層内径４ｍｍの時にはダム長は２０薦あれば充分である
。このようにダムは非常に短いものですむために製造は
非常に容易である。またこの耐圧層内部に適当な粘性を
有する液体を適当な圧力で封入するこ５とも可能である
。これにより耐圧層にかかる外圧を緩和すると同時に光
フアイバに一様な圧力を加えてマイクロベンデイングが
生じないようにし、また破損時に海水の浸入を防止する
ことができる。以上述べてきた耐圧層を用いた長距離海
底ケーブルの代表的実施例を第６図に示す。

図中１は光フアイバ素線であり、２は被覆である。２３
は耐圧層であり、これを給電線としても使用することが
できる。

１０はケーブルの布設時又は引揚時にケーブルにかかる
張力をもたせるためのテンシヨンメンバであり、２４は
絶縁体でこれには例えばポリエチレン等が使用される。

今耐圧層２３の内径をｒ、肉厚をｔとして降伏強さλ。

の耐圧層にＰｅの圧縮力が加わつた時、耐圧層の最小肉
厚と降伏強さの関係は次式で与えられる。ここでＫは安
全係数である。

Ｐｅ二８ｋｇ／Ｍｄ（水深８０００ｍに相当）の時の（
２）式の結果を第７図に示す。

図の横軸は耐圧層の降伏強さで、縦軸は耐圧層内半径と
最小肉厚の比である。パラメータは安全係数で、この図
より安全係数を２とすると、降伏強さ４０ｋｇ／Ｍｄ以
上の材料が必要なことがわかる。この材料として例えば
高力Ａｌ合金（２０１４相当）を使う場合のケーブル寸
法について記す、第１表にこのＡｌ合金の物理的性質を
示す。降伏強さとして第１表の引張強度を適用すると、
第７図によりｔ／ｒ＝０．６８となる。

耐圧層内に光フアイバを例えば４本（１２０００回線な
ら４００Ｍｂｉｔ／ｓで２システム必要）入れる場合は
、耐圧層内径は４ｍＴＬあれば光分であるので、最小耐
圧層肉厚は１．３６ｍｍ１こなる。次にこれを給電線に
使用すると、０．５Ω／ＩＣＩ！ｌの抵抗をもつために
は第１表の抵抗率により内径４ｍ７１Ｌで肉厚は３，６
ｍｍあればよいことがわかる。これは充分に耐圧層とし
ての条件を満たしている。従つて耐圧層の大きさは内径
４ｍ７７！、外径１１．２ｍｍとすることにより給電線
と耐圧層の両機能を兼ねさせることができる。次に、８
０００ｍの海底にケーブルを布設するか又は引揚げる場
合、テンシヨンメンバがもつべき張力は海底から布設船
までのケーブル全体の水中重量である。ケーブルの太さ
は耐圧層の外側に被覆する絶縁層の厚さにより決まる。
今絶縁層としてポリエチレンを被覆するとき、ポリエチ
レンの絶縁耐力を第８図に示す。横軸は給電電圧で、縦
軸はポリエチレン厚である。Ａ，ｂ，ｃはそれぞれコロ
ナ耐圧最小の１４１４Ｖ／Ｍ７！Ｌ１平均値２１２１Ｖ
／Ｍｍおよび最大の２８２８Ｖ／Ｍ７！Ｌである。給電
は両端局より行うためコロナ耐圧最小のポリエチレンの
場合でも耐電圧８２５０Ｖに必要なポリエチレン厚は６
７ｎｍあれば充分である。そこで、ケーブル全体の外径
は２５ｍｍ程度になることがわかる。テンシヨンメンバ
に鋼線のストランドを用いるとすれば、ケーブルの水中
重量は計算でき、必要なストランドの断面積もわかる。
第６図のような構造とすれば、１本当りのストランド外
径は２．５４ｍ７１Ｌあればよい。このストランドは従
来技術で容易に実現できる。また、一般にこのような厚
肉の耐圧層を使つたケーブルは曲げにくいという欠点を
もつ。

このケーブルの許容曲げ半径は耐圧層外径、耐圧層材料
のヤング率、耐圧層に許される応力により決まり第６図
の場合許容応力として第１表の耐力を用いるとその値は
０．９８７ｍとなる。これはケーブル布設時の条件（許
容曲げ半径約１．５ｍ）を満足していることがわかる。
以上は耐圧層と給電線を兼ねた構造であるが、耐圧層に
抗張力性の大きい材料を使用することにより耐圧層にテ
ンシヨンメンバの機能をもたせることも可能である。

第９図ａは耐圧層とテンシヨンメンバの両機能を兼ねた
構造の実施例である。図中、１６は光フアイバ心線であ
り、２５が耐圧層かつテンシヨンメンバである。１５は
給電線であり、２４は絶縁層である。

また第９図ｂのように適当な材料を選ぶことにより、耐
圧層と給電線とテンシヨンメンバの両機能を兼ねさせた
構造にすることも可能である。結局このような構造をと
つた場合には、耐圧層と給電線又はテンシヨンメンバを
同一にできるため構造を簡単にすることができる。

また、光フアイバがケーブルの中心にあるため、外力か
ら最も保護されており、かつ、りせん状に巻く必要がな
いため、光フアイバ長が最も短かくてすむので安全でし
かも経済的である。さらに、ケーブルの許容曲げ半径も
材料を選ぶことにより、布設時の条件を満足させること
が可能なため極めて実用的で８Ａ一以上詳細に説明した
ように、長距離深海用の光フアイバ海底ケーブルでは給
電線やテンシヨンメンバが太くなるため、従来の細径パ
イプのかわりに軸方向に３等分に分割された本発明の肉
厚の耐圧層を使用することによりケーブル構造の簡単化
が図られる。

この円筒状耐圧層は扇形形状のダイス引きで各丸線から
異形線が製造でき、それらを組み合わせるだけで製造で
きるため極めて簡単に厚肉のものが得られる。また製造
時に加熱することがないため、断熱層の必要もなく光フ
アイバの伝送特性に悪影響を及ぼすこともない。また、
各分割片の断面形状が合同であるため、機械的外力に対
して各片は均等な力を受け、これにより部分的にこわれ
易くなることはない。さらに、海底ケーブルが破損した
場合に備えて、耐圧層内にダムを設けるか、または、粘
性材料を注入することにより、海水の浸入が防げ、修理
筒所を短かくすることができるため非常に経済的である
。結同、この３分割円筒状耐圧層を光フアイバ海底ケー
ブルの中心に配置することにより、耐圧層に給電線もし
くはテンシヨンメンバの機能を兼ねさせることができ、
簡単な構造で機械的特性にも優れた長距離深海用の光フ
アイバ海底ケーブルが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，ｂ，ｃおよび第２図は従来の光フアイバ海底
ケーブルの代表的実施例の横断面図、第３図Ａ，ｂ，ｃ
は本発明による耐圧層の代表的構造例を示す横断面図、
第４図は本発明による耐圧層内における防水用ダムの状
態を示す縦断面図、第５図は耐圧層内径とダムの最低必
要長の関係を示す特性図、第６図および第９図Ａ，ｂは
本発明の光フアイバ海底ケーブルの代表的実施例を示す
横断面図、第７図は耐圧層の降伏強さと必要最小耐圧層
肉厚の関係を示す特性図、第８図は給電電圧に対するポ
リエチレンの所要肉厚を示す特性図である。 １・・・・・・光フアイバ素線、２・・・・・・被覆層
、３・・・・・・断熱層、４・・・・・・圧力緩衝層、
５・・・・・・耐圧パイプ、６・・・・・・保護プラス
チツク、７・・・・・・給電線、８・・・・・・・光フ
アイバ用テンシヨンメンバ、９・・・・・・絶縁層、１
０・・・・・・ケーブル用テンシヨンメンバ、１１・・
・・・・耐圧パイプ単線、１２・・・・・・固定用プラ
スチツク、１３・・・・・・防水層、１４・・・・・・
防水層保護用プラスチツク、１５・・・・・・給電線、
１６・・・・・・光フアイバ心線、） １７・・・・・
・空間またはゼリー状物質、１８・・・・・・軟かいプ
ラスチツクあるいはゴム、１９・・・・・・ケーブル外
被、２０・・・・・・耐圧層分割片、２２・・・・・・
防水用ダム、２３・・・・・・耐圧層、２４・・・・・
・絶縁用ポリエチレン、２５・・・・・・耐圧層兼テン
シヨンメンバ、２６・・・５・・・耐圧層兼テンシヨン
メンバ兼給電線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 低損失光ファイバを伝送媒体として用いる光ファイ
   バ海底ケーブルにおいて、断面の形状が互いに等しく扇
   形の３本の金属材料異形線が組合されて中心部に少くと
   も１本の光ファイバを収容するための断面円形の光ファ
   イバ収容スペースを有するように構成された円筒状耐圧
   層を、ケーブルの中心部に備えたことを特徴とする光フ
   ァイバ海底ケーブル。 ２ 前記金属材料が電気良導体であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の光ファイバ海底ケーブル
   。