轻型无中继海底光缆的研制

汪　波

（中国电子科技集团公司第八研究所，安徽淮南232001）

轻型无中继海底光缆的研制

汪波

（中国电子科技集团公司第八研究所，安徽淮南232001）

简要介绍了一种轻型无中继海底光缆的特点、结构和工艺，在国内首次将低衰减G.652光纤使用在长距离海底光缆通信中，将光纤衰减控制在0.19 dB/km（1 550 nm波长）以下的水平。单根光缆制造长度达到50 km，多根海底光缆经过若干接头盒连接后通过最新的远程泵浦和喇曼光放大技术可以实现450 km长度无中继海底光缆通信。海底光缆由陆上平板车运输到海边，经过提缆架导引到施工船仓，随后进行了快速海中布放，布放速度平均为8.5节，最快速度可以达到11节。布放过程中动态监控海底光缆的光纤衰减，记录到的最大光纤衰减为0.194 dB/km（1 550 nm波长）。

轻型无中继海底光缆；特点；结构；工艺；性能；光纤衰减；布放

0 引 言

1989年，大长度无中继海底光缆首次敷设在法国和英国之间，使用的光纤是衰减为0.22 dB/km （1 550 nm波长）的色散位移光纤，总长度150 km。由于低水峰的G.654光纤的出现，光纤衰减可以控制在0.20 dB/km（1 550 nm波长）以下，促使350 km无中继海底光缆通信系统在2000年左右开通，代替以前的中继同轴电缆或海底光缆系统，用于短距离国际链路和沿海地区，以大幅度降低系统费用。但是在此后相当长一段时间，未见超过400 km的大长度无中继海底光缆通信系统的报道。

根据多年研制开发海底光缆的经验，我们从结构、机械性能、工艺等方面入手，设计生产了一种轻型无中继海底光缆，其结构牢固可靠、重量轻、外径小，单根制造长度达到50 km。多根海底光缆经过若干接头盒连接后通过最新的远程泵浦和喇曼光放大技术可以实现450 km长度无中继海底光缆通信，而且使用的是传统的国产低衰减G.652光纤，光纤衰减控制在0.19 dB/km（1 550 nm波长）以下。这是国内首次将低衰减G.652光纤用于长距离海底光缆通信中（2009年）。该海底光缆运输存储方便，可以快速布放和回收。

1 研制要求

1.1光纤

此通信系统要求光纤成缆后甚至海底光缆施工后的光纤衰减控制在0.195 dB/km（1 550 nm波长）以下，所以我们选择衰减最低的国产G.652光纤。此通信系统建设时间为2008年到2009年，当时在国内能够选择到大批量的低衰减G.652光纤是一件不容易的事。经过一段时间的技术攻关，终于按时间节点生产了一批低衰减的G.652光纤，衰减值在0.182～0.187 dB/km（1 550nm波长）之间，成缆之后的光纤平均衰减值为0.186 dB/km（1 550 nm波长），最大值为0.190 dB/km（1 550 nm波长），经系统总成单位测试，最大可以满足530 km长度无中继光缆通信系统的使用。

1.2布放

此通信系统具有应急的特点，要求能快速运输与布放，布放速度必须是普通海底光缆布放速度（约2 km/h）的数倍。因此要求轻型无中继海底光缆结构紧凑、应力均匀、强度高且柔软。在大型平板车上安装事先制作的盘具，将制造好的海底光缆以较小的弯曲半径盘绕在盘具中，实现陆路运输到指定海边。布放时，实际海底光缆布放速度平均为8.5节，最快速度达到11节，该布放速度持续了约20 min。

2 光缆设计

2.1结构

图1为国际上典型的无中继海底光缆结构示意图，图2为我们设计的轻型无中继海底光缆结构示意图。

图1　国际典型无中继海底光缆结构示意图

图2　轻型无中继海底光缆结构示意图

国际上典型的无中继海底光缆是按照海底光缆结构设计通用模板进行设计的，该模板设计思路是在不锈钢松套管光单元外挤制高密度聚乙烯内护层，内护层厚度由外铠装层钢丝数量与尺寸决定。轻型海底光缆通常选择一层钢丝铠装，重型海底光缆则选择两层钢丝铠装。

相比国际上典型的无中继海底光缆，我们的结构设计有两大特色：一是选择国产的低衰减型G.652光纤，光纤本身衰减值要高于国际典型海缆使用的G.654光纤约0.02 dB/km（1550nm波长），因此光缆成缆过程中的光纤衰减控制尤其重要；二是相比国际典型海缆的单层铠装，我们采用双层反向铠装，工艺更复杂。

由图2可知，轻型无中继海底光缆采用中心管式结构，光纤选择国产的低衰减、低偏振模色散的G.652B光纤。光单元为不锈钢松套管结构，为光纤提供稳定可靠的环境，避免水压和外部应力的作用。挤制高密度聚乙烯（HDPE）内护套，其机械强度好，耐应力开裂。铠装层采用双层反向铠装，降低光缆的内在扭力，且使强度高又柔软，既可满足快速布放的要求，又能承受在敷设或打捞时的巨大张力，使海底光缆免受外力的损伤。外护层可以防止海底光缆在运输与敷设过程中高强铠装钢丝与硬物直接碰撞，起缓冲作用。

2.2参数

轻型无中继海底光缆需要承受在敷设或打捞时的巨大张力，并且保证其中的光纤不受损伤，因此其主要设计参数为光缆拉伸负荷与光纤余长。

（1）光缆拉伸负荷

钢丝在绞合过程中不可避免地有残留应力，这与结构设计、制造工艺及所用的材料特性有关。采用单层钢丝绞合或双层钢丝同向绞合的残留应力比双层钢丝反向绞合的更大，会对光缆的施工产生较大的影响。

因此为使轻型无中继海底光缆拥有足够的机械强度，同时降低光缆的内在扭力，设计双层反向铠装高强钢丝作为护层。由于钢丝受拉力时存在纵向分量和横向分量，其纵向分量应与光缆的拉伸负荷相当，光缆的拉伸负荷可表示为：

式中：F为光缆的拉伸负荷（N）；n1为内层钢丝根数；n2为外层钢丝根数；f1为内层钢丝的拉伸应力（N）；f2为外层钢丝的拉伸应力（N）；θ1为内层钢丝的绞合角；θ2为外层钢丝的绞合角。

铠装钢丝的绞合角由缆芯尺寸、钢丝绞合节距决定；铠装钢丝的纵向拉伸应力与其杨氏模量、尺寸、本身的纵向应变有关。

轻型无中继海底光缆选择了12×φ1.8 mm的内层铠装钢丝与18×φ1.8 mm的外层铠装钢丝，缆芯尺寸为φ5.4 mm，再根据铠装钢丝的特性计算出海底光缆在不同纵向拉伸时的应变量。

按照GJB 4489—2002［1］的要求，海底光缆的纵向拉伸分三个级别，从低到高依次为工作拉伸负荷（NOTS）、短暂拉伸负荷（NTTS）、断裂拉伸负荷（UTS）。

选择31 kN作为工作拉伸负荷参考值，对应的纵向应变量为3.0‰。选择48 kN作为短暂拉伸负荷参考值，对应的纵向应变量为4.5‰。而根据铠装钢丝的抗拉强度计算出的96 kN作为轻型无中继海底光缆的断裂拉伸负荷设计参考值。

（2）光纤余长

按照GJB 4489—2002［1］的要求，海底光缆在进行工作拉伸时，光纤不应有伸长量，在进行短暂拉伸时，光纤伸长量不应大于1.5‰。

因为轻型无中继海底光缆在受到短暂拉伸负荷时对应的纵向应变量为4.5‰，假设该纵向应变量完全传导到光纤，由于光纤伸长量不能大于1.5‰，则可以计算出光纤余长最小值为3.0‰。

再分析可以接受的最大光纤余长，这是由光纤的弯曲半径与不锈钢松套管的生产工艺决定的，计算出光纤余长最大值为5.0‰。

因此，理论上不锈钢松套管光纤余长值在3.0‰～5.0‰之间是合适的。

3 主要制造工艺

3.1大长度光纤不锈钢松套管

光纤不锈钢松套管生产流程示意图见图3［2］。

图3　光纤不锈钢松套管生产流程

大长度光纤不锈钢松套管制造的特殊工艺是：大长度光纤放线、连续的不锈钢带放带控制、不锈钢带的成型、连续稳定的激光焊接控制。

（1）大长度光纤放线技术。经过特别设计，光纤放线架能够安装特大光纤盘（100 km长度光纤）。另外，光纤可以低速（≤30 m/min）低张力稳定放线。由于安装特大光纤盘后，光纤放线装置重量增加，放线时惯性大，选择轻重量的铝合金材料制造放线导轮，并且镂空，微型伺服电机控制放线速度，从而保证光纤放线时重量惯性小、摩擦力低。

（2）连续的不锈钢带放带控制。需要预先准备好长度超过50 km的不锈钢带，从而可以保证不锈钢管生产时以稳定的速度运行，既保证了接头质量，又提高了生产可靠性。专门设计制造大型迭带式不锈钢带放带装置，将每盘不锈钢带的头尾通过对接焊接的方式相连。通过张力控制系统，确保了不锈钢带以稳定张力放线。

（3）不锈钢带的成型。不锈钢带的成型在成型装置上完成，成型装置采用数字化设计，模拟不锈钢带不同成型工艺的不同伸长结果并进行优化，使不锈钢带的拉伸最小，避免成型后滚动。另外成型装置的安装精度要求达到5μ级，而上下成型辊轮的安装精度应该在3μ级。

（4）连续稳定的激光焊接控制。YAG固体激光器激发的激光本身焦点稳定性强，焊接光斑稳固，并且激光头的位置可以进行微调，因此允许成型钢管约有0.2 mm左右的正常滚动，另外可以连续工作72 h以上。

3.2光纤附加衰减控制

为保证光纤衰减在海底光缆的制造过程中以及以后的运输、敷设、打捞时没有较大的变化，需要对光纤的成缆附加衰减进行控制。核心原则有两条：一是光纤不锈钢松套管中的光纤余长一致，即松套管中所有光纤的余长在设计值附近；二是在海底光缆铠装及内外护层挤出时避免光纤不锈钢松套管可能存在的拉伸、弯曲、扭转等情况，避免光纤受力或光纤余长损失。

（1）光纤不锈钢管的光纤余长精确控制

光纤稳定的低张力放线技术：通过大长度光纤放线技术可以将光纤放线张力控制在0.4 N左右的低张力水平，另外光纤放线路途中采用光滑玻璃导孔导引，也降低了光纤放线过程中的动态张力。其中稳定是保证光纤余长一致的主要因素之一，低张力是保证光纤寿命与衰减不变化的主要因素之一。

张力法余长控制：利用不锈钢材料在拉拔后物理特性的突变，在钢管被拉拔后设置不同的张力会使钢管在单轮牵引（图3中牵引3）前产生不同程度的拉伸，从而在经过单轮牵引后张力恢复时产生不同程度的弹性回缩，由于钢管中的光纤蠕动并没有发生同样程度的回缩，也就产生了光纤余长。

变形法余长控制：光纤不锈钢管通过此装置时，钢管的收缩率越大，产生的光纤余长也越大。此装置的多项参数与不锈钢管收缩率相关，包括滚轮的个数、滚轮的直径、滚轮之间的间距以及滚轮的切入量。通过多次反复试验调节相关参数可获得最佳结果。

SZ绞合：我们在光纤不锈钢松套管生产线中引入了SZ绞合，设计了一种小巧灵活的装置，使光纤进入不锈钢管前预先进行SZ绞合，可以使不同的光纤同步进入，且相互缠绕绞合在一起。通过在不锈钢带成型装置上部安装特制的带减速器的低速SZ绞合装置来实现光纤SZ绞合。

（2）铠装工艺

严格控制钢管放线张力、钢丝放线张力、绞合模具尺寸等。严格计算钢丝绞合节距，使得光缆拉伸、弯曲、扭转性能均达到最佳值。稳定的放线张力保证同层钢丝以相近的应力状态绞合成型，在海底光缆受力拉伸时出力均匀。合适的绞合节距是保证海底光缆结构圆整性及受力拉伸时钢丝出力适当的重要因素。

4 结束语

我们研制的轻型无中继海底光缆的性能符合GJB 4489—2002，施工时用平板车运输到海边，经过提缆架导引到布缆船的船仓，在船上进行了接头盒的连接，随后布缆船进行快速布放。布放过程中动态监控海底光缆的光纤衰减，记录到的最大光纤衰减为0.194 dB/km（1 550 nm波长），布放结束后光纤衰减下降到0.190 dB/km（1 550 nm波长）以下，以后未再上升。其中的24芯光纤通过串联，实现了450 km大长度无中继光通信。

该轻型无中继海底光缆通信系统是国内首次将低衰减G.652光纤使用在长距离海底光缆通信中，这对推动低衰减G.652光纤的技术发展有积极作用。目前低衰减G.652光纤技术已经成熟，可以使总传输系统成本降低10％。

大长度无中继海底光缆系统由于系统总体费用低而受到青睐，现在我国正在推动“一带一路”的发展战略，建设跨南海的大长度无中继海底光缆系统，连接我国与东南亚各国的通信网络，具有非常重要的意义。

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，高级工程师.

作者地址：安徽淮南市国庆中路369号［232001］.

［1］ GJB 4489—2002 海底光缆通用规范［S］.

［2］ 汪 波.光纤不锈钢管生产线及其制品［J］.电线电缆，2005 （5）：27-29.