JPH0778570B2

JPH0778570B2 - ル−ス形光フアイバケ−ブル

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Publication number: JPH0778570B2
Application number: JP60204988A
Authority: JP
Inventors: 諭示秦野; 豊勝山; 利直国分; 和男保苅
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-09-17
Filing date: 1985-09-17
Publication date: 1995-08-23
Anticipated expiration: 2010-08-23
Also published as: JPS6265006A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は光フアイバを複数本集合して構成した光フアイ
バケーブルに関するものである。

（従来の技術）第１図は従来のルース形光フアイバケーブルの例の断面
図であつて、1a,1b,1c,1dは光フアイバテープ、２はチ
ユーブ、８はテンシヨンメンバ、４は押え巻き、５は外
被である。光フアイバテープ1a,1b,1c,1dはそれぞれ中
に光フアイバが５本含まれていて、それらが平行に配置
され、テープ状になつている。４枚の光フアイバテープ
が一つのチユーブ２の内に収容されている。チユーブ２
はテンシヨンメンバ３の周囲にらせん状により合わされ
ている。それらの周囲に押え巻き４が施され、その周囲
に外被５が設けられている。

本発明者らはこの種の光フイアバケーブルを多数試作し
てきたが、試作ケーブルの中で、ケーブル状態の伝送損
失がケーブル化前よりも増加するものがあることを見い
出した。その原因をあらゆる観点から検討した結果、光
フアイバテープがチユーブの中でうねるためであること
を知り得た。その状況を第２図に示した。

第２図において1a,1b,1c,1dは光フアイバテープ、２は
チユーブであり、２の内部で1a,1b,1c,1dが正弦波状に
うねると、光フアイバ伝送損失が増加する。光フアイバ
テープを集合した従来のルース形光フアイバケーブル
は、前記のように光フアイバテープのうねりによる伝送
損失が増加するという欠点があつた。

第３図は従来のルース形光フアイバケーブルの別の例の
断面図であつて、１は光フアイバテープ、８はテンシヨ
ンメンバ、４は押え巻き、５は外被、６はスロツト付き
ロツドである。積層された光フアイバテープ１がロツド
６に設けられたスロツトの中にゆるく収容され、一つの
ユニツトを形成し、これらがテンシヨンメンバ３の周囲
により合わされ、その周囲に押え巻き４、外被５を設け
てケーブルが構成されている。このケーブルにおいて
も、前記と同様の理由によつて光フアイバの伝送損失が
増加するという欠点があつた。

（発明が解決しようとする問題点）本発明の目的は、従来のルース形光フアイバケーブルで
認められたような、光フアイバのケーブル化に伴う伝送
損失の増加を抑制し、かつ長寿命で安定な光フアイバケ
ーブルを提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明は、上記の目的を達成するため、軸方向に沿って
ほぼ同一の断面形状を有する長いらせん状空間に、複数
の光ファイバを互いに平行に一体化して形成した光ファ
イバテープを複数枚重ねてルースに収容して成る光ファ
イバケーブルにおいて、長さＬのらせん状空間に収容さ
れた光ファイバテープの長さをｌとし、重ねられた複数
の光ファイバテープが細長いらせん状空間の内部で動き
得る距離をその方向のクリアランスとし、光ファイバの
上下面方向と側面方向とのうちいずれかクリアランスが
小さい方向のクリアランスをδmmとしたとき、（ｌ−Ｌ）/L＜0.0020・δ で、かつ −0.0004＜（ｌ−Ｌ）/L＜0.0088 なる関係を満たすルース形光ファイバケーブルとする。

従来のルース形光フアイバケーブルは、光フアイバがチ
ユーブまたはスロツトの中にゆるく収容されているため
に、光フアイバに加わる外力は微小であると考えられ、
伝送損失の増加に対する注意があまり払われていなかつ
た。本発明者らは前述の従来技術に関する問題点を詳細
に検討し、本発明に至つたので、以下にその説明を行
う。

例えば光フアイバをチユーブの中に挿入して構成した光
フアイバチューブユニツトは、４枚の光フアイバテープ
を繰り出しながら、その周囲にプラスチツクチユーブを
押出し形成することによつて製造される。このとき光フ
アイバテープは繰り出される際に一定のバツクテンシヨ
ンを与えられ、伸びひずみが生ずる。その後チユーブが
施されプラスチツクの硬化に伴う収縮が生ずる。従つて
チユーブユニツトの製造時においては、光フアイバに対
してバツクテンションによる伸びと硬化による収縮が作
用することになる。もし、伸びひずみと収縮ひずみの大
きさが等しければ残留ひずみは０になるが、このバラン
スがくずれると、光フアイバの伸びまたは光フアイバの
圧縮ひずみとして残留することになる。残留ひずみを完
全に０にすることは理想的であるが、実際上困難が伴
う。

光フアイバテープが繰り出される際に、バツクテンシヨ
ンによつて生ずる光フアイバのひずみは、通常極めて小
さい（例えば0.1％以下）。一方、チユーブの硬化によ
る収縮は、バツクテンシヨンによる光フアイバのひずみ
に比較して大きい（例えば１％）。

光フアイバテープがチユーブの中に収容された後に、チ
ユーブの硬化収縮が生ずるので、結果として次のような
現象が生ずる。すなわちチユーブの硬化収縮によつてチ
ユーブの長さが光フアイバテープの長さより小さくな
る。もしチユーブと光フアイバテープとが完全一体であ
るとすると、光フアイバテープはチユーブの長さと同一
となり、光フアイバの圧縮として残留するが、実際には
チユーブと光フアイバテープとは一体でなく、相互の間
にクリアランスがあるので、光フアイバテープの余長と
なつて残留する。

実際、試作したいくつかのチユーブユニツトを解体して
チユーブ長と光フアイバ長を比較したところ、光フアイ
バテープ長の方が長かつた。従つて以下の影響を検討す
ることにする。なお余長とは、チユーブの長さ（Ｌ）を
その中に収容されている光フアイバテープの長さ（ｌ）
の差（ｌ−Ｌ）を言い、（ｌ−Ｌ）/Lを余長率と言うこ
とにする。

一般にルースチユーブユニツトにおいて、、チユーブよ
り光フアイバが長い場合、すなわちフアイバ余長がある
場合、これを吸収するため光フアイバはチユーブ内で曲
がりを生ずる。従来、光フアイバ素線に細径ルースチユ
ーブ被覆を施した構造において、低温でのチユーブの収
縮による実効的フアイバ余長に原因して、フアイバがチ
ユーブ内でらせん状にうねる現象が議論されている。し
かし従来の検討は、素線に細径ルースチユーブを施した
構造を対象としていること、フアイバの変形としてらせ
ん状のうねりのみを扱つていることの理由で、そのまま
本発明者らの検討対象に適用できない。そこで、新たに
テープ集合形チユーブユニツトのモデルを設定して検討
した。

第４図は光フアイバチユーブユニツトの断面図であつ
て、1a,1b,1c,1dは光フアイバテープ、２はチユーブで
ある。第４図（ａ）は光フアイバテープがチユーブの中
央に位置する理想的な場合を示し、チユーブ内径をd_i、
フアイバテープの幅をｗ、１枚のテープの厚さをｔとす
る。光フアイバテープに余長がある場合、積層された４
枚の光フアイバテープは、チユーブとテープ間のクリア
ランスのために、チユーブ内で位置が変わる。第４図
（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、チユーブと光フア
イバテープの現実的な位置関係を示す。

光フアイバテープの曲がりの種類は大別して２種類考え
る必要がある。一つはらせん状の曲がりであり、他の一
つは光フアイバテープの異方性、すなわち光フアイバテ
ープが平板状であることに起因する正弦波状の曲がりで
ある。以下、この二つの場合についてフアイバの幾何学
的変形を検討する。

（Ａ）らせん状の曲がりこの変形はテープがチユーブ内壁面に沿うようにらせん
状にうねる曲がりである。第４図で考えると、軸方向に
沿つて断面を見た場合、（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→
（ｅ）という位置関係をとる場合である。光フアイバテ
ープの幅ｗと４枚の光フアイバテープの厚さ4tは、例え
ばそれぞれ1.6mmおよび1.8mmであり、正方形に近いの
で、１本の光フアイバについてみた場合、チユーブ断面
内で描く軌跡は円に近い。この仮定では、円の半径は
＝（a_x+a_y）/2と近似できる。このときフアイバの曲率
半径R₁および余長率β₁は次のように表現できる。

ただし、P₁はらせんピツチである。

（Ｂ）正弦波状の変形次にテープがチユーブ内で正弦波状にうねる場合を考え
る。

第４図で考えると、軸方向に沿つて断面を見た場合、
（ａ）→（ｂ）→（ａ）→（ｄ）→（ａ）という位置関
係をとる場合である。ｘ軸およびｙ軸に垂直なｚ軸に沿
うフアイバのうねり形状を次のように与える。

ただしa_yはうねり振幅、P₂はうねりピツチである。フア
イバの曲率半径R₂は、と与えられる。従つて正弦波状にうねつた光フアイバの
最小曲率半径R_minは次式となる。

またR₂≫a_yと仮定して、余長率β₂を近似的に求める
と、となる。

光フアイバテープの異方性から考えて、上記のようなう
ねりが主体と考えられるが、光フアイバテープの面内で
うねり、すなわち（ａ）→（ｃ）→（ａ）→（ｅ）→
（ａ）といううねりも原理的には考えられる。この場
合、変形量を表わす式は、式（５），（６）においてa_y
をa_xに置換することによつて得ることができる。振幅a_x
として、（ｃ）において最下層のテープに対するクリア
ランスを与えたのは、４本の光ファイバテープのうち、
1d（最下層）と1a（最上層）とが最も小さいクリアラン
ス（2ax）を持つので、一定余長率に対しては曲率半径
が最も小さくなり、きびしい条件となるためである。

（Ｃ）その他の変形以上（Ａ）（Ｂ）においては、らせん状の曲がりと正弦
波状の曲がりを考えたが、実際にはその他の複雑な変形
も存在するであろう。例えばｗに比較してd_iが大きい場
合、テープが互いに入れ替わりながらうねることが考え
られる。テープの入れ替わりは、光フアイバの曲がりに
対しては緩和効果をもつており、曲率半径の増加に結び
つく。従つて最悪のケースとして、前記の（Ａ）（Ｂ）
の場合のみを以下に考える。

光フアイバの一様曲がりによる光損失増加については、
従来から検討されている。しかしここで対象としている
ような正弦波状のうねりについては、あまり検討されて
いない。そこで正弦波状のうねりによる損失増加を実験
的に求めた。

第５図は正弦波状にうねつた光フアイバの最小曲率半径
R_minと光損失増加の関係を実験的に求めた結果を示した
ものである。最小曲率半径R_minは式（５）により求め
た。ピツチは30mm,40mm,60mmの３水準とした。損失は10
0ピツチうねつたときの損失とした。この結果、うねり
による損失は、ピツチＰに依存せず、R_minに依存するこ
とがわかつた。また損失は次式で与えられることが明ら
かとなつた。

α_(dB)＝50R_min ^-3（mm）また同じフアイバに対して一様曲げ損失増加の関係も測
定した。第５図にその測定結果を○印で併記した。一様
曲げの場合、R_minを曲げ半径とし、損失増加の値は50タ
ーンでの値とした。この結果、一様曲げと正弦波状曲が
りの損失は、同一の関数で表されることが明らかになつ
た。

式（７）の実験式は、数ｍのフアイバに対するものであ
り、実際の光フアイバの曲がり損失を議論するには不十
分である。そこで、500mの光フアイバに適用できる式を
検討した。Winklerの計算によれば（C.Winkler他、“Po
wer attenuation in Bent Parabolic Index Slab＆Fibe
r Waveguides",Electron.Lett.,Vol.14,No17,1978）、
一様曲がり損失の距離特性は、z/ρ（z:フアイバ距離、
ρ：コア径）が十分大きいところでは、log（z/ρ）と
損失αとは直線関係にある。この関係を利用して、数ｍ
のフアイバにおける測定結果から、500mフアイバの損失
特性を推定した結果を第５図に示した。この結果、推定
損失はR_min ^-2に比例し、次式で概算できることがわかつ
た。

α_500m＝100R_min ^-2 （８）以上の検討の結果、光フイアバの曲がりによる損失増加
は、最小曲率半径に依存することがわかつたので、前記
（Ａ）（Ｂ）について損失増加と余長の関係を求める。

らせん状の曲がりの場合、曲率半径R₁は式（２）よりであるので、損失はα₁は、式（８）においてR_min＝R₁
とし、500mのフアイバに対して、と推定することができる。

正弦波状のうねり曲がりに対する損失α₂も同様に次式
で推定できる。

式（10）と（11）の比較から次のことが言える。

とa_x,yが等しいと仮定すると、一定の光フアイバ余長
率βに原因する曲がり損失は、正弦波状の曲がりの方が
らせん状の曲がりより大きい。また式（11）から、一定
のβに対しては、a_x,yが小さい方が損失が大となる。第
４図のa_x，a_yを比較すると、ｗ＝1.6mm,t＝0.45mm,d_i＝
3.3mmであるので、2a_x＝1.17mm,2a_y＝1.09mmとなる。従
つて2a_y＝1.09mmの場合、すなわち（ｂ）〜（ｄ）のう
ねりの方が（ｃ）〜（ｅ）のうねりより損失に与える影
響は大となる。

以上の検討の結果、損失に対する余長の影響は（ｂ）〜
（ｄ）のうねり曲がりが最もきびしく、その推定値は、となることが明らかになつた。

次に、余長率と光損失増加の関係を求めるために、試作
ケーブルの余長率と光損失増加を測定した。３種類のチ
ユーブユニツトを試作し、これをそれぞれ500mケーブル
化した。ケーブル化による損失増加を測定した後、ケー
ブル内の光フアイバテープのうち正弦波状の曲がりが認
められたテープについて、余長を測定した。まず約20m
の光フアイバケーブルを切り出して、その長さを精密に
測定する。このケーブル長とチユーブのよりピツチおよ
びより半径からチユーブ長を計算により求める。次にケ
ーブルを解体し、実際にケーブル内に収容されていたテ
ープ長との差を求めて余長を求め、規格化して余長率β
とした。余長率の測定結果を第１表に示す。

第１表中の測定対象としたチユーブユニツトの形状と寸
法を第６図（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。

一方、チユーブ内径と積層されたテープの寸法とから、
推定うねり振幅a_yが求まるので、a_yとβとから、式
（６）を用いてR_minの推定値を求めることができる。こ
の値を第１表に示した。

また正弦波状のうねつた光フアイバの最小曲率半径R_min
の推定値と光損失増加αの関係を第７図に示した。この
結果、光損失増加αは、推定式（12）とほぼ一致するこ
とおよびαの最大値α_maxは、次式で与えられることが
明らかになつた。

この式はa_yとβとαとの関係を知るための実用的な式と
考えられる。

余長に起因する光フアイバテープの曲がりは、光損失だ
けでなく、光フアイバひずみにも影響を与える。光フア
イバひずみはフアイバの曲率半径に依存する。

らせん状の曲がりと正弦波状の曲がりにおける最小曲率
半径は、次式で与えられた。

従つて最小曲率半径についても、正弦波状の曲がりの方
がらせん状の曲がりよりきびしいことがわかる。

以上述べてきたように、チユーブ内の光フアイバ余長に
よつて、光フアイバの光損失増加および曲げひずみが生
ずることがわかつたので、余長率に対する制限条件を与
えることが可能になつた。

まず余長による正弦波状の曲がりに起因する光損失増加
について考える。この場合の光損失増加の最大値は式
（13）で与えられる。式（13）において、β＝（ｌ−
Ｌ）/Lである。またチユーブユニツト内におけるクリア
ランスδ（mm）は、δ＝2a_yである。これらを式（13）
に代入し、かつα_max＜0.05dB以下になるような条件を
求めると、を得る。

次に余長による光フアイバの故障率の変化について検討
した。

フアイバの破断（故障）は単に余長に起因するだけでな
く、布設時の伸びひずみ、温度変化によるひずみなどに
影響される。これらの値として、第２表の値を考える。
なお、この値は実測もしくは計算により求めた一般的な
値である。

このとき光フアイバの故障率は、寿命計算の式（満水ほ
か、“スクリーニング試験による光フアイバ強度保証
法、信学論'88/7,Vol.J66−B,No.7）によつて計算され
る。計算結果を第８図に示した。仮に、故障率を100FIT
以下に制限するには、β（＝（ｌ−Ｌ）/L）は、の範囲になくてはならない。

従つて損失増加を0.05dB以下に抑え、かつ故障率を100F
IT以下に抑える条件として、式（16）と式（17）の共通
領域が必要条件となる。

以上説明したように、本発明は、余長率を光損失増加が
微小で、かつ故障率が微小となるように、余長率を制限
したことを最も主要な特徴とする。従来の技術において
は、余長率が制限されておらず、ケーブルとして使用す
るには光損失増加が大きすぎるフアイバが含まれる場合
があつたが、これが解消できるようになつた。

第１図に示す構造のルース形光フアイバケーブルを試作
した。４枚の光フアイバテープ1a,1b,1c,1dを繰り出し
ながら、チユーブ２を押出し成形して、チユーブユニツ
トを構成した。このとき1a,1b,1c,1dを繰り出すときに
加えるバツクテンシヨンＴは、１枚の光フアイバテープ
の実効的ヤング率をE,断面積をＳ、チユーブの押出し時
の硬化収縮ひずみをεとするときに、Ｔ＝ε・Ｅ・Ｓと
なるように選定した。なおクリアランスδは1.09mmとし
た。このように作成したチユーブユニツトをテンシヨン
メンバの周囲により合わせ、さらに押え巻き、外被を施
してケーブルを構成した。試作した光フアイバケーブル
を解体して、光フアイバテープ1a,1b,1c,1dとチユーブ
２の長さを測定し、余長率βを測定した。４枚のテープ
についてβを測定した結果、0.013％,0.005％,0.117％,
0.088％であり、式（16）および式（17）を満足してい
た。光フアイバテープ状態での光損失と、ケーブル状態
での光損失を比較したところ、ケーブル化に至る光損失
増加は、測定誤差範囲（0.05dB）内であつた。また第２
図に示したようなうねりは観測されなかつた。

次に第３図に示す構造のルース形光フアイバケーブルを
試作した。４枚の光フアイバテープ1a,1b,1c,1dを、ス
ロツト付きロツド６のスロツトの中に収容して、スロツ
トユニツトを構成した。このとき光フアイバテープ１に
対するバツクテンシヨンT_Tは、１枚の光フアイバテープ
の実効的ヤング率をE_T、断面積をS_T、スロツト付きロツ
ド６に対するバツクテンシヨンをT_S、６の実効的ヤング
率をE_S、スロツト付きロツド６の断面積をS_Sとして、となるように選定した。なおクリアランスδは0.5mmと
した。

このように作成したスロツトユニツトをテンシヨンメン
バの周囲により合わせ、さらに押え巻き、外被を施し
て、ケーブルを構成した。

試作した光フアイバケーブルを解体して、光フアイバテ
ープ１とスロツトの平均的長さを測定し、余長率βを測
定した。８枚のテープについてβを測定した結果、0.02
8％,0.026％,0.016％,0.012％,0.008％,0.008％,0.004
％,0.003％であり、式（16），（17）を満足していた。
光フアイバテープ状態での光損失と、ケーブル状態での
光損失を比較したところ、ケーブル化に至る光損失増加
は、測定誤差範囲（0.05dB）内であつた。また光フアイ
バテープのうねりは観測されなかつた。

（発明の効果）以上説明したように、本発明のルース形光フアイバケー
ブルは、光フアイバテープの余長率が、式（16），（1
7）により測定されているので、光フアイバの光損失増
加が微小であり、かつ長寿命が期待できるという利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はルース形光フアイバケーブルの例の断面図、第
２図は従来のルース形光フアイバケーブルの一つのチユ
ーブにおける光フアイバテープのうねりを示す図、第３
図はルース形光フアイバケーブルの別の例の断面図、第
４図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は光フア
イバチユーブユニツトの断面図、第５図は正弦波状にう
ねつた光フアイバの最小曲率半径と光損失増加の関係を
示す図、第６図（ａ），（ｂ），（ｃ）は第１表中の測
定対象としたチユーブユニツトの形状と寸法を示す図、
第７図は最小曲率半径と測定された光損失増加の関係を
示す図、第８図は余長率βに対する故障率を示す図であ
る。 1,1a,1b,1c,1d……光フアイバテープ２……チユーブ、３……テンシヨンメンバ４……押え巻き、５……外被６……スロツト付きロツド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者国分利直茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162番地日本電信電話株式会社茨城電気通信研究所内 (72)発明者保苅和男茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162番地日本電信電話株式会社茨城電気通信研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸方向に沿ってほぼ同一の断面形状を有す
る長いらせん状空間に、複数の光ファイバを互いに平行
に一体化して形成した光ファイバテープを複数枚重ねて
ルースに収容して成る光ファイバケーブルにおいて、長
さＬのらせん状空間に収容された光ファイバテープの長
さをｌとし、重ねられた複数の光ファイバテープが細長
いらせん状空間の内部で動き得る距離をその方向のクリ
アランスとし、光ファイバの上下面方向と側面方向との
うちいずれかクリアランスが小さい方向のクリアランス
をδmmとしたとき、（ｌ−Ｌ）/L＜0.0020・δ で、かつ −0.0004＜（ｌ−Ｌ）/L＜0.0088 なる関係を満たすことを特徴とするルース形光ファイバ
ケーブル。
【請求項２】光ファイバテープを収容する細長いらせん
状空間の断面形状がほぼ円形であることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載のルース形光ファイバケーブ
ル。
【請求項３】光ファイバテープを収容する細長いらせん
状空間の断面形状がほぼ四角形であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載のルース形光ファイバケーブ
ル。