輕型無(wú)中繼海底光纜的研制

汪　波

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所，安徽淮南232001）

輕型無(wú)中繼海底光纜的研制

汪波

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所，安徽淮南232001）

簡(jiǎn)要介紹了一種輕型無(wú)中繼海底光纜的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和工藝，在國(guó)內(nèi)首次將低衰減G.652光纖使用在長(zhǎng)距離海底光纜通信中，將光纖衰減控制在0.19 dB/km（1 550 nm波長(zhǎng)）以下的水平。單根光纜制造長(zhǎng)度達(dá)到50 km，多根海底光纜經(jīng)過(guò)若干接頭盒連接后通過(guò)最新的遠(yuǎn)程泵浦和喇曼光放大技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)450 km長(zhǎng)度無(wú)中繼海底光纜通信。海底光纜由陸上平板車(chē)運(yùn)輸?shù)胶＿?，?jīng)過(guò)提纜架導(dǎo)引到施工船倉(cāng)，隨后進(jìn)行了快速海中布放，布放速度平均為8.5節(jié)，最快速度可以達(dá)到11節(jié)。布放過(guò)程中動(dòng)態(tài)監(jiān)控海底光纜的光纖衰減，記錄到的最大光纖衰減為0.194 dB/km（1 550 nm波長(zhǎng)）。

輕型無(wú)中繼海底光纜；特點(diǎn)；結(jié)構(gòu)；工藝；性能；光纖衰減；布放

0 引 言

1989年，大長(zhǎng)度無(wú)中繼海底光纜首次敷設(shè)在法國(guó)和英國(guó)之間，使用的光纖是衰減為0.22 dB/km （1 550 nm波長(zhǎng)）的色散位移光纖，總長(zhǎng)度150 km。由于低水峰的G.654光纖的出現(xiàn)，光纖衰減可以控制在0.20 dB/km（1 550 nm波長(zhǎng)）以下，促使350 km無(wú)中繼海底光纜通信系統(tǒng)在2000年左右開(kāi)通，代替以前的中繼同軸電纜或海底光纜系統(tǒng)，用于短距離國(guó)際鏈路和沿海地區(qū)，以大幅度降低系統(tǒng)費(fèi)用。但是在此后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，未見(jiàn)超過(guò)400 km的大長(zhǎng)度無(wú)中繼海底光纜通信系統(tǒng)的報(bào)道。

根據(jù)多年研制開(kāi)發(fā)海底光纜的經(jīng)驗(yàn)，我們從結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、工藝等方面入手，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了一種輕型無(wú)中繼海底光纜，其結(jié)構(gòu)牢固可靠、重量輕、外徑小，單根制造長(zhǎng)度達(dá)到50 km。多根海底光纜經(jīng)過(guò)若干接頭盒連接后通過(guò)最新的遠(yuǎn)程泵浦和喇曼光放大技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)450 km長(zhǎng)度無(wú)中繼海底光纜通信，而且使用的是傳統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)低衰減G.652光纖，光纖衰減控制在0.19 dB/km（1 550 nm波長(zhǎng)）以下。這是國(guó)內(nèi)首次將低衰減G.652光纖用于長(zhǎng)距離海底光纜通信中（2009年）。該海底光纜運(yùn)輸存儲(chǔ)方便，可以快速布放和回收。

1 研制要求

1.1光纖

此通信系統(tǒng)要求光纖成纜后甚至海底光纜施工后的光纖衰減控制在0.195 dB/km（1 550 nm波長(zhǎng)）以下，所以我們選擇衰減最低的國(guó)產(chǎn)G.652光纖。此通信系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間為2008年到2009年，當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)能夠選擇到大批量的低衰減G.652光纖是一件不容易的事。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的技術(shù)攻關(guān)，終于按時(shí)間節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)了一批低衰減的G.652光纖，衰減值在0.182～0.187 dB/km（1 550nm波長(zhǎng)）之間，成纜之后的光纖平均衰減值為0.186 dB/km（1 550 nm波長(zhǎng)），最大值為0.190 dB/km（1 550 nm波長(zhǎng)），經(jīng)系統(tǒng)總成單位測(cè)試，最大可以滿(mǎn)足530 km長(zhǎng)度無(wú)中繼光纜通信系統(tǒng)的使用。

1.2布放

此通信系統(tǒng)具有應(yīng)急的特點(diǎn)，要求能快速運(yùn)輸與布放，布放速度必須是普通海底光纜布放速度（約2 km/h）的數(shù)倍。因此要求輕型無(wú)中繼海底光纜結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)力均勻、強(qiáng)度高且柔軟。在大型平板車(chē)上安裝事先制作的盤(pán)具，將制造好的海底光纜以較小的彎曲半徑盤(pán)繞在盤(pán)具中，實(shí)現(xiàn)陸路運(yùn)輸?shù)街付ê＿?。布放時(shí)，實(shí)際海底光纜布放速度平均為8.5節(jié)，最快速度達(dá)到11節(jié)，該布放速度持續(xù)了約20 min。

2 光纜設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)

圖1為國(guó)際上典型的無(wú)中繼海底光纜結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為我們?cè)O(shè)計(jì)的輕型無(wú)中繼海底光纜結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　國(guó)際典型無(wú)中繼海底光纜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　輕型無(wú)中繼海底光纜結(jié)構(gòu)示意圖

國(guó)際上典型的無(wú)中繼海底光纜是按照海底光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通用模板進(jìn)行設(shè)計(jì)的，該模板設(shè)計(jì)思路是在不銹鋼松套管光單元外擠制高密度聚乙烯內(nèi)護(hù)層，內(nèi)護(hù)層厚度由外鎧裝層鋼絲數(shù)量與尺寸決定。輕型海底光纜通常選擇一層鋼絲鎧裝，重型海底光纜則選擇兩層鋼絲鎧裝。

相比國(guó)際上典型的無(wú)中繼海底光纜，我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩大特色：一是選擇國(guó)產(chǎn)的低衰減型G.652光纖，光纖本身衰減值要高于國(guó)際典型海纜使用的G.654光纖約0.02 dB/km（1550nm波長(zhǎng)），因此光纜成纜過(guò)程中的光纖衰減控制尤其重要；二是相比國(guó)際典型海纜的單層鎧裝，我們采用雙層反向鎧裝，工藝更復(fù)雜。

由圖2可知，輕型無(wú)中繼海底光纜采用中心管式結(jié)構(gòu)，光纖選擇國(guó)產(chǎn)的低衰減、低偏振模色散的G.652B光纖。光單元為不銹鋼松套管結(jié)構(gòu)，為光纖提供穩(wěn)定可靠的環(huán)境，避免水壓和外部應(yīng)力的作用。擠制高密度聚乙烯（HDPE）內(nèi)護(hù)套，其機(jī)械強(qiáng)度好，耐應(yīng)力開(kāi)裂。鎧裝層采用雙層反向鎧裝，降低光纜的內(nèi)在扭力，且使強(qiáng)度高又柔軟，既可滿(mǎn)足快速布放的要求，又能承受在敷設(shè)或打撈時(shí)的巨大張力，使海底光纜免受外力的損傷。外護(hù)層可以防止海底光纜在運(yùn)輸與敷設(shè)過(guò)程中高強(qiáng)鎧裝鋼絲與硬物直接碰撞，起緩沖作用。

2.2參數(shù)

輕型無(wú)中繼海底光纜需要承受在敷設(shè)或打撈時(shí)的巨大張力，并且保證其中的光纖不受損傷，因此其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為光纜拉伸負(fù)荷與光纖余長(zhǎng)。

（1）光纜拉伸負(fù)荷

鋼絲在絞合過(guò)程中不可避免地有殘留應(yīng)力，這與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝及所用的材料特性有關(guān)。采用單層鋼絲絞合或雙層鋼絲同向絞合的殘留應(yīng)力比雙層鋼絲反向絞合的更大，會(huì)對(duì)光纜的施工產(chǎn)生較大的影響。

因此為使輕型無(wú)中繼海底光纜擁有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)降低光纜的內(nèi)在扭力，設(shè)計(jì)雙層反向鎧裝高強(qiáng)鋼絲作為護(hù)層。由于鋼絲受拉力時(shí)存在縱向分量和橫向分量，其縱向分量應(yīng)與光纜的拉伸負(fù)荷相當(dāng)，光纜的拉伸負(fù)荷可表示為：

式中：F為光纜的拉伸負(fù)荷（N）；n1為內(nèi)層鋼絲根數(shù)；n2為外層鋼絲根數(shù)；f1為內(nèi)層鋼絲的拉伸應(yīng)力（N）；f2為外層鋼絲的拉伸應(yīng)力（N）；θ1為內(nèi)層鋼絲的絞合角；θ2為外層鋼絲的絞合角。

鎧裝鋼絲的絞合角由纜芯尺寸、鋼絲絞合節(jié)距決定；鎧裝鋼絲的縱向拉伸應(yīng)力與其楊氏模量、尺寸、本身的縱向應(yīng)變有關(guān)。

輕型無(wú)中繼海底光纜選擇了12×φ1.8 mm的內(nèi)層鎧裝鋼絲與18×φ1.8 mm的外層鎧裝鋼絲，纜芯尺寸為φ5.4 mm，再根據(jù)鎧裝鋼絲的特性計(jì)算出海底光纜在不同縱向拉伸時(shí)的應(yīng)變量。

按照GJB 4489—2002［1］的要求，海底光纜的縱向拉伸分三個(gè)級(jí)別，從低到高依次為工作拉伸負(fù)荷（NOTS）、短暫拉伸負(fù)荷（NTTS）、斷裂拉伸負(fù)荷（UTS）。

選擇31 kN作為工作拉伸負(fù)荷參考值，對(duì)應(yīng)的縱向應(yīng)變量為3.0‰。選擇48 kN作為短暫拉伸負(fù)荷參考值，對(duì)應(yīng)的縱向應(yīng)變量為4.5‰。而根據(jù)鎧裝鋼絲的抗拉強(qiáng)度計(jì)算出的96 kN作為輕型無(wú)中繼海底光纜的斷裂拉伸負(fù)荷設(shè)計(jì)參考值。

（2）光纖余長(zhǎng)

按照GJB 4489—2002［1］的要求，海底光纜在進(jìn)行工作拉伸時(shí)，光纖不應(yīng)有伸長(zhǎng)量，在進(jìn)行短暫拉伸時(shí)，光纖伸長(zhǎng)量不應(yīng)大于1.5‰。

因?yàn)檩p型無(wú)中繼海底光纜在受到短暫拉伸負(fù)荷時(shí)對(duì)應(yīng)的縱向應(yīng)變量為4.5‰，假設(shè)該縱向應(yīng)變量完全傳導(dǎo)到光纖，由于光纖伸長(zhǎng)量不能大于1.5‰，則可以計(jì)算出光纖余長(zhǎng)最小值為3.0‰。

再分析可以接受的最大光纖余長(zhǎng)，這是由光纖的彎曲半徑與不銹鋼松套管的生產(chǎn)工藝決定的，計(jì)算出光纖余長(zhǎng)最大值為5.0‰。

因此，理論上不銹鋼松套管光纖余長(zhǎng)值在3.0‰～5.0‰之間是合適的。

3 主要制造工藝

3.1大長(zhǎng)度光纖不銹鋼松套管

光纖不銹鋼松套管生產(chǎn)流程示意圖見(jiàn)圖3［2］。

圖3　光纖不銹鋼松套管生產(chǎn)流程

大長(zhǎng)度光纖不銹鋼松套管制造的特殊工藝是：大長(zhǎng)度光纖放線、連續(xù)的不銹鋼帶放帶控制、不銹鋼帶的成型、連續(xù)穩(wěn)定的激光焊接控制。

（1）大長(zhǎng)度光纖放線技術(shù)。經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)，光纖放線架能夠安裝特大光纖盤(pán)（100 km長(zhǎng)度光纖）。另外，光纖可以低速（≤30 m/min）低張力穩(wěn)定放線。由于安裝特大光纖盤(pán)后，光纖放線裝置重量增加，放線時(shí)慣性大，選擇輕重量的鋁合金材料制造放線導(dǎo)輪，并且鏤空，微型伺服電機(jī)控制放線速度，從而保證光纖放線時(shí)重量慣性小、摩擦力低。

（2）連續(xù)的不銹鋼帶放帶控制。需要預(yù)先準(zhǔn)備好長(zhǎng)度超過(guò)50 km的不銹鋼帶，從而可以保證不銹鋼管生產(chǎn)時(shí)以穩(wěn)定的速度運(yùn)行，既保證了接頭質(zhì)量，又提高了生產(chǎn)可靠性。專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造大型迭帶式不銹鋼帶放帶裝置，將每盤(pán)不銹鋼帶的頭尾通過(guò)對(duì)接焊接的方式相連。通過(guò)張力控制系統(tǒng)，確保了不銹鋼帶以穩(wěn)定張力放線。

（3）不銹鋼帶的成型。不銹鋼帶的成型在成型裝置上完成，成型裝置采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，模擬不銹鋼帶不同成型工藝的不同伸長(zhǎng)結(jié)果并進(jìn)行優(yōu)化，使不銹鋼帶的拉伸最小，避免成型后滾動(dòng)。另外成型裝置的安裝精度要求達(dá)到5μ級(jí)，而上下成型輥輪的安裝精度應(yīng)該在3μ級(jí)。

（4）連續(xù)穩(wěn)定的激光焊接控制。YAG固體激光器激發(fā)的激光本身焦點(diǎn)穩(wěn)定性強(qiáng)，焊接光斑穩(wěn)固，并且激光頭的位置可以進(jìn)行微調(diào)，因此允許成型鋼管約有0.2 mm左右的正常滾動(dòng)，另外可以連續(xù)工作72 h以上。

3.2光纖附加衰減控制

為保證光纖衰減在海底光纜的制造過(guò)程中以及以后的運(yùn)輸、敷設(shè)、打撈時(shí)沒(méi)有較大的變化，需要對(duì)光纖的成纜附加衰減進(jìn)行控制。核心原則有兩條：一是光纖不銹鋼松套管中的光纖余長(zhǎng)一致，即松套管中所有光纖的余長(zhǎng)在設(shè)計(jì)值附近；二是在海底光纜鎧裝及內(nèi)外護(hù)層擠出時(shí)避免光纖不銹鋼松套管可能存在的拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等情況，避免光纖受力或光纖余長(zhǎng)損失。

（1）光纖不銹鋼管的光纖余長(zhǎng)精確控制

光纖穩(wěn)定的低張力放線技術(shù)：通過(guò)大長(zhǎng)度光纖放線技術(shù)可以將光纖放線張力控制在0.4 N左右的低張力水平，另外光纖放線路途中采用光滑玻璃導(dǎo)孔導(dǎo)引，也降低了光纖放線過(guò)程中的動(dòng)態(tài)張力。其中穩(wěn)定是保證光纖余長(zhǎng)一致的主要因素之一，低張力是保證光纖壽命與衰減不變化的主要因素之一。

張力法余長(zhǎng)控制：利用不銹鋼材料在拉拔后物理特性的突變，在鋼管被拉拔后設(shè)置不同的張力會(huì)使鋼管在單輪牽引（圖3中牽引3）前產(chǎn)生不同程度的拉伸，從而在經(jīng)過(guò)單輪牽引后張力恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生不同程度的彈性回縮，由于鋼管中的光纖蠕動(dòng)并沒(méi)有發(fā)生同樣程度的回縮，也就產(chǎn)生了光纖余長(zhǎng)。

變形法余長(zhǎng)控制：光纖不銹鋼管通過(guò)此裝置時(shí)，鋼管的收縮率越大，產(chǎn)生的光纖余長(zhǎng)也越大。此裝置的多項(xiàng)參數(shù)與不銹鋼管收縮率相關(guān)，包括滾輪的個(gè)數(shù)、滾輪的直徑、滾輪之間的間距以及滾輪的切入量。通過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)可獲得最佳結(jié)果。

SZ絞合：我們?cè)诠饫w不銹鋼松套管生產(chǎn)線中引入了SZ絞合，設(shè)計(jì)了一種小巧靈活的裝置，使光纖進(jìn)入不銹鋼管前預(yù)先進(jìn)行SZ絞合，可以使不同的光纖同步進(jìn)入，且相互纏繞絞合在一起。通過(guò)在不銹鋼帶成型裝置上部安裝特制的帶減速器的低速SZ絞合裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖SZ絞合。

（2）鎧裝工藝

嚴(yán)格控制鋼管放線張力、鋼絲放線張力、絞合模具尺寸等。嚴(yán)格計(jì)算鋼絲絞合節(jié)距，使得光纜拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)性能均達(dá)到最佳值。穩(wěn)定的放線張力保證同層鋼絲以相近的應(yīng)力狀態(tài)絞合成型，在海底光纜受力拉伸時(shí)出力均勻。合適的絞合節(jié)距是保證海底光纜結(jié)構(gòu)圓整性及受力拉伸時(shí)鋼絲出力適當(dāng)?shù)闹匾蛩亍?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

我們研制的輕型無(wú)中繼海底光纜的性能符合GJB 4489—2002，施工時(shí)用平板車(chē)運(yùn)輸?shù)胶＿?，?jīng)過(guò)提纜架導(dǎo)引到布纜船的船倉(cāng)，在船上進(jìn)行了接頭盒的連接，隨后布纜船進(jìn)行快速布放。布放過(guò)程中動(dòng)態(tài)監(jiān)控海底光纜的光纖衰減，記錄到的最大光纖衰減為0.194 dB/km（1 550 nm波長(zhǎng)），布放結(jié)束后光纖衰減下降到0.190 dB/km（1 550 nm波長(zhǎng)）以下，以后未再上升。其中的24芯光纖通過(guò)串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了450 km大長(zhǎng)度無(wú)中繼光通信。

該輕型無(wú)中繼海底光纜通信系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首次將低衰減G.652光纖使用在長(zhǎng)距離海底光纜通信中，這對(duì)推動(dòng)低衰減G.652光纖的技術(shù)發(fā)展有積極作用。目前低衰減G.652光纖技術(shù)已經(jīng)成熟，可以使總傳輸系統(tǒng)成本降低10％。

大長(zhǎng)度無(wú)中繼海底光纜系統(tǒng)由于系統(tǒng)總體費(fèi)用低而受到青睞，現(xiàn)在我國(guó)正在推動(dòng)“一帶一路”的發(fā)展戰(zhàn)略，建設(shè)跨南海的大長(zhǎng)度無(wú)中繼海底光纜系統(tǒng)，連接我國(guó)與東南亞各國(guó)的通信網(wǎng)絡(luò)，具有非常重要的意義。

The Development of Lightweight Non-Repeatered Submarine Cable

WANG Bo
（China Electronics Technology Group Corporation No.8 TH Research Institute，Huainan 232001，China）

The structure and technique design and performance of a noble lightweight non-repeatered submarine cable is briefly described.As the G.652 optical fiber with low attenuation is firstly used in long-distance submarine cable communications in domestic，attenuation of less than 0.19dB/km（at1550 nm wavelength）can also be attained.The single manufacturing length 50 km connected with junction boxes，non-repeatered transmission of length of450 km in submarine cables can be realized on the basis of noble remote pump and Raman optics amplitude technology.Transported by flatbed tricycle to the working seaside and to the working cabin by hanger，the submarine cable were deployed subsequently at the speed of8.5 knots at average and 11 knots at most.During deployment，attenuation of optical fiber in the cable was monitored dynamically，the available highest value of which was 0.194 dB/km（at 1550 nm wavelength）.

lightweight non-repeatered submarine cable；characteristics；structure；technique；performance；attenuation of optical fiber；deployment

TN818

A

1672-6901（2015）06-0028-04

2015-01-18

汪 波（1972—），男，高級(jí)工程師.

作者地址：安徽淮南市國(guó)慶中路369號(hào)［232001］.

［1］ GJB 4489—2002 海底光纜通用規(guī)范［S］.

［2］ 汪 波.光纖不銹鋼管生產(chǎn)線及其制品［J］.電線電纜，2005 （5）：27-29.