keburu denso hoshiki no koshinraika to cho supanka no kenkyu

Q. 柘. C乃. Ｍ. C刀. Ｎ. Cyan. Green. KodakGra Sy cale. ∽. Ｑ. 0. y611ow. ａ. 一. 一ａ. -a M. C刀. −よ ω. −4 4. 個. Ｑ. 一. 一. Ｎ. -a. a］. （○ 」. C応. ＠Kodak。20 T0 M7 :Kodak. り. O Kodak’20T 0M 7︲Kodak. ﹂ｌR｀ e一 d ︱︲一ｉ政＆Ｆ’ｉｌ芦レ. 一. 心 ，4. inChes ト ーヨ 一. ω. Kodak ColC oo rntr Po al tches. Ｎ. A 1 2 3 4 5 6 M 8 9 1o 11 12 13 14 15 B 17 18 19. ｊ. 一.



一. 目次 第１章. ｌｒＤ. 序論 １．１. 研究の背景. １．２ 研究の目的と課題 １．３ 論文の構成と概要 参考文献 第２章. 海底同軸ケーブルの圧力特性 ２．１ まえがき ２．２ ２．３ ２．４. ２．５. ２．６ 参考文献 第３章. 20. 22 23 25. 27. ２．４．２ ２．４．３. 静電容量の圧力特性 ケーブル絶縁体外径の圧力特性. 32. ２．４．４ 考察. 位相定数および誘電率の圧力特性. 37. ２．５．１ ２．５．２ ２．５．３ むすび. ヒステリシス特性に関する考察 ポリエチレン誘電率の圧力特性に関する考察 高水圧下の長期特性変動の推定. 40. 34. 42 44 46 47. 同軸ケーブル減衰量の精密測定法 ３．１ まえがき ３．２ 開放形共振器による減衰量測定法の原理 ３．３ ３．４. 第４章. 海底同軸ケーブル構造と圧力特性の関係 圧力試験装置および測定回路 圧力特性測定結果 ２．４．１ 減衰量圧力特性. 17. 48 50. 開放形共振器による減衰量測定法の適用範囲 具体的測定結果. 56. ３．４．１ 減衰量測定回路の操作方法及び測定例 ３．４．２ 海底同軸ケーブル減衰量圧力特性の測定 ３．５ むすび 付録 各種の同軸ケーブル減衰量測定法の比較 参考文献. 58. ４４‘. マイクロ波帯における高温超伝導体表面抵抗測定法 ４．１ まえがき ４．２ 高周波抵抗渕定法の比較 ４．３ 本測定法の構成 ４ 測定系の実験的評価 ５ 高温超伝導体表面抵抗の評価結果. 62 64 65 67. 68 69 70 73 78.

一. ４．６ むすび 参考文献. 81. ﾊﾟﾙｽ試験光による光ﾌｧｲﾊﾟ増幅器の利得・雑音指数測定法 １ まえがき ２ 従来の測定法の問題点 提案の測定法の概要 具体的な測定手順 ａ)測定系の校正 Ｉ Ｓ Lr︶. Ｑり４. Ln Lr︶Ln. 第５章. 80. ｂ)ｻﾝﾌoﾘﾝｸﾞﾀｲﾐﾝﾊﾞの調整 Ｏ測定と計算 c-1)利得の測定 c-2)雑音指数の測定 c -2-1)補開法による誤差補正. 88 88 90 91 92 93. ５．５ ５．６. むすび. 96. 付録１. ﾊﾟﾙｽ光発生用光ｽｲｯﾁSW1のﾃﾞｭｰﾃｨｰ比の校正 ｻﾝﾌﾟﾗのﾃﾞｭｰﾃ行巳と光ｽﾍﾟｱﾅを含めたｻﾝﾃﾞﾗｰの 電力確度補正係数. 98. 付録３光ｽｲｯﾃSW1、SW2ペアの動的漏話減衰量の測定 参考文献. 93. 99 100 101. Q:︶C. １. ６︶６︶. ﾌｧｲﾊﾞ側面からの自然放出光の検出による光ﾌｧｲﾊﾞ増幅器利得制御法. ３. ２. ４. まえがき 従来の各種ＡＧＣ方式の構成と問題点 本方式の原理 具体的回路構成と実験結果 ６．４．１ 基本特性 ６．４．２ 動特性. ６．５ ＡＬＣ（出力一定）制御系への応用 ６．６ むすび 付録 式（２）および（３）の導出 参考文献 利得安定化線形中継器による400km双方向多中継伝送実験 １ まえがき ７７. 第７章. 84 85. c -2-2)動的腸詰減衰量による誤差補正 測定結果と議論. 付録２. 第６章. 82 83. ２. Ｑり４. ７７ ７７. ５ ６. 102 103 105. 107 111 115 116 117 118. 119. 双方向伝送実験システムの構成 双方向線形中紺谷の構成と特性. 120. 400km双方向中継伝送路の特性 双方向伝送実験 むすび. 122. Ｈ. 121. 124 126.

-. 参考文献. １り乙. ｼﾘｺﾝﾎﾄﾀﾞｲｵｰﾄﾞによる光電気変換型ﾏﾄﾘｯｸｽｽｲｯﾁ 只︶ＱＵ. 第８章. 126. まえがき ﾏﾄﾘｯｸｽｽｲｯﾁ構成の概要 ８．３ ｽｲｯﾁ切り替え速度 ８．４ 漏話特性 ８．５ 光源に関する検討 ８．６ 達成可能なﾏＨｯｸｽ規模の推定 ８．７ むすび 付録１ 閉状態から開状態への切替時間の計算 付録２ 無相関干渉光による受光感度劣化 参考文献 第９章. 127 128 130 133 136 138 141 142 144 146. ＥＤＦＡを適用した掃引光周波数シンセサイザ ９．１ まえがき ９．２ 基本構成 ９．３. ９．４ ９．５ ９．６ ９．７. 147 149. パルス化掃引光周波数発生回路の基本設計 ９．３．１ ﾌﾌｲﾊﾞﾙｰﾌﾟ内に累積される雑音光の計算 ９．３．２ ファイバ非線形の影響. 154 160. 帰還制御によるEDFAの動的利得制御 パルス化掃引光周波数発生部の具体的構成と特性 同期ＣＷ光発生部の構成と特性 むすび. 163 167 173 178. 付録 ﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸ利得制御による一定振幅周回ﾊﾟﾙｽ列の発生 参考文献 第１０章. 179 181. ﾌｫﾄﾆｸｽﾈｯﾄﾜｰｸﾍの適用を狙いとした時分割参照光周波数分配法 １. ０ 。１. まえがき. １８３. １０．２. 時分割参照光周波数分配の基本構成. １０．３. 時分割参照光周波数の合成と光周波数の同期方法. １０．４. ａ）掃引光周波数ｼﾝｾｻｲｻﾞ. 187. b）同期光周波数発振器. １８７. 時分割参照光周波数分配の課題と対策 a）ﾌｧｲﾊﾞ非線形の影響. １９７. システム設計およびぐﾓﾝｽﾄﾚｰｼｮﾝ実験 ａ）システム設計及び期待される限界性能 b）時分割参照光周波数分配のﾃﾞﾓﾝｽﾄﾚｰｼｮﾝ実験. １０．６. 189 191. b）EDFA利得の動的安定化 １０．５. １８５. むすび. 199 ２０３ 207. 参考文献. 208. ｍ.

-. 第１１章. 第１２章. 絶灯光周波数を割当てた高密度WDM方式における ﾌﾚｷｼｱﾙな光周波数配置による伝送実験 １ １。１ まえがき １ １ 。２ システム構成の概要 １ １ 。３ 高密度ＷＤＭ受信機の基本構成と特性 １ １ 。４ 伝送実験 １ １ 。５ むすび 参考文献. 遠隔励起光増幅器を用いた長ｽﾊﾟﾝIM/DD光伝送方式 １ ２。１ まえがき １２．２ 遠隔励起方式の構成. １２．３. cy︶. ２. １１. ｎ／｀︵．乙. 12.4.3. 218 219. 221. 227 228. 232 239. 243. ２. 1.8Gbit/s-310km伝送実験 （a）実験システムの設計と構成 ㈲実験結果 620Mbit/s-375km伝送実験 （a）実験システムの設計と構成 （b）実験結果. １ ２ 。６. 217. ４. 高出力光入射時の単一ﾓｰﾄﾞﾌｧｲﾊﾞの伝送特性 (a)誘導ｱﾘﾘｧﾝ散乱(SBS)の検討 (b)分散ｼﾌﾄﾌｧｲﾊ≒こおける変調不安定性 遠隔励起方式のシステム設計と伝送実験 １ ４． システム設計 ４．. １ ２ 。５. 216. 223. n. 。. 215. １２．３．１ ＥＤＦ出力増幅器 ２ ３．２ 後方向励起ＥＤＦ増幅器 ２ ３ ラマン増幅 １. ２. 212. 219. １. １. 210. １ ２。２．１ 基本構成 １ ２。２．２ 遠隔励起方式の各種適用例 光増幅器及びファイバ特性 １. ４. 210. 遠隔励起方式と他の長スパン方式との比軟 むすび. 248 250. 253 255 258 260. 参考文献. 261. 結論. 264. 謝辞 著者の発表論文. 268. 第１３章. 269. rv.

一. 第１章. １．１. 序論. 研究の背景. 回勅ケーブルや光ファイバケーブルを伝送媒体とするケーブル伝送方式は、 外部からの雑音の影響を受けにくく、物理的に通信の秘密が保たれるという優 れた性質を有しており、さらに数子kmに及ぶシステムにおいても伝播遅延時間 が無視できるなど高品質な通話を可能としている。チャンネルあたりの伝送コ ストに占めるケーブルおよび中継器コストの割合を低減しケーブル伝送方式を 経済的に構成するために周波数多重や時分割多重技術による各種の大容量伝送 方式が実用化されている。ケーブル伝送方式は適用領域の点からは陸上方式と 海底方式とに、伝送媒体の点からは回報伝送方式と光伝送方式とに大別されて いる。表I土表1-2はＮＴＴで商用化されている海底伝送方式と陸上用光伝送方 式の主要諸元をそれぞれ示す(1)(仇ファイバ一対あたり数十から数万回線の容量 を有する方式が商用化されている。 これらの大容量ケーブル伝送方式は情報化社会構築の基盤技術として重要な 役割を果たしており、いったん装置故障やケーブル切断により通信が途絶する と各種サービスおよび広範な地域に多大な影響を及ぼす状況となっている。そ こで、高信頼化を達成するために高信頼部品により伝送装置を構成するととも に各種の方式構成上の対策が図られている。具体的には①中継器の高信頼化、 ②ｼｽﾃﾑ構成あるいは長ｽﾊﾟﾝ化により所要中継器数を削減することによる高信頼 化、③予備切替方式による高信頼化、等の対策が各伝送方式の設置条件に照ら して採用されている。 海底伝送方式においてはケーブルおよび中銀器が深海に布設され、障害修理 には多くの時間と経費を必要とするため海底中継器の高信頼化か図られてきた。 海庭園勅ケーブルを伝送媒体とする中継伝送方式では中継間隔が10km弱と短 いので、伝送路構成には多数の中継器が必要とされる。このため、可能な限り 簡単な中継器構成が採用され、部品数を削減して高信頼化か図られている。例 えば、海底温度が安定していることから中継器からはＡＧＣ機能が省かれてい. １.

一. 表１−１. る。中継器利得とケーブル損失のバランスを取るため、深海に布設された状態 の海底同勅ケーブルの損失特性を精密に予測してケーブル長が調整されている。. 商用海底伝送方式の主要諸元. 方式名. CS-36M. FS-400M. さらに、双方向伝送に必要な所要中継器数を半減するため、方向ろ波器を使用. 伝送媒体. 海底同轍ケーブル. 光ファイバケーブル. した双方向中継器によるｹｰﾌﾞﾙ１条群別２線方式が採用され、システムの高信頼. 伝送路構成. ケーブルによる一条双方向伝送. ﾌｧｲﾊﾞ２本による双方向伝送. 化か図られている(1)。. 多重化方式. 2700 ch. 中継間隔. 5.8㎞. 40 km(1.3μm). 最大化回線長. 3700 km. 1000 km. 最大水深. 8000 m. 8000 m. 信頼性. MTBF:10年、寿命:25年. 1-2は単一モード光ファイバの特性と構造(2)(3)を示す｡回勅ｹｰｱﾙに代わり低損失. 隔は大幅に拡大された。初期の方式は1.3μm波長帯を使い40kmの中継間隔で実 用化された(2o。その後、1.55μm波長帯のLD、受光素子など各種光部品、1.5鰍. ｻｰﾋﾞｽ開始年度. ｍ帯零分散ﾌｧｲﾊﾞ(分散ｼﾌﾄﾌｧｲﾊﾞ)等の伝送技術が開発され、80. 時分割多重（ＴＤＭ）. 伝送容量. 図1-1は商用化されたトブﾙ伝送方式の長ｽﾊづ化と中継伝送技術の進展を、図. で広帯域な光ファイバケーブルが伝送媒体として使われるようになり、中継間. 周波数多重（ＦＤＭ）. 5760 ch x 3 system. MTBF:10年、寿命:25年. 1977. 1986. kmまで中継間隔. が拡大された(5)(6)。また、新しいﾃﾞｨﾉﾀﾙﾊｲｱﾗｰｷ(ＳＤＨ)に対応したF-600M方式で は1､55μm帯が標準波長として使われ中継間隔8okmで全国展開されている巴. 表2−2. I.55μm波長帯に利得帝城があるエルビウムドープ光ファイバ増幅器(以下 アイン啖 呵ｱﾗｰｷ. EDFAと略す)が優れた特性を有していることが明らかとなり(8)、EDFAをもちい た超高速、長スパン光伝送方式の開発が活発に進められるようになった。 にはEDFAを出力増幅器として用いた中継間隔160kmのF-600M方式(9)が､96年に はEDFAを線形中継器として用いたFA-10G方式(lo)がNTTで商用化されている。 また､他社では96年末にEDFAを遠隔励起増幅器として用いた長スパン無中継方. 訃ヽ怒 94年. 伝送路速度 (Mbit/s). 翁超） 伝送路符号 波長(μln) ﾌｱ仙'種類. 光源. Synchfonous DiμaI Hierafchy(SDH). Plesiochronous Digital Hjerarchy (PDH) F-6M 12､624. 96. ＣＭＩ. F-32M 64.128. F-400M. F-1.6G. F-600M. F-2.4G. 111.687. 445.837. 1820.90. 622.08. 2488､32. 23040. 8064. 1440. ＣＭＩ. 8BIC. 1.2/1.3WDM. 1.3 SM(l.3μmzero. FP-LD. F-ICX)M. 480. GI又はSM(1.3μm zeR)dispers】on). 式(FLAG)の商用化も予定されている(11)。. 商用光伝送方式（陸上方式）の主要諸元. 5760. FP-LD. ScrambledBinaly. 10BIC 1.3又は1.55. 1.55. SM(1.3μmzerodispersion)又は SM(1.55μmzerodispersion). dlsPersjon). FP,LD又はＤＦＢ-ＬＤ. ＤＦＢ-ＬＤ. ネットワークの高信頼化、保守運用性の向上を狙いとして予備切替方式が 受光素子. Ge,APD. Ge,APD. SDH伝送装置で使われている(≒障害回線の信号はＬＳＴ技術を使った電子ス 中継間隔. イッチによりo2)、予備系に切替えられている。 以上の研究背景に基づき、本論文ではケーブル伝送系の高信頼化技術および. サービス 開始年度. 20km(WDM) 50km 1984. Ge-AI)Dor lnGaAs-Aj)D. hlGIAs-AJ)D. 1981. 1981. 1983. 長スパン化技術を確立することを目的としている。. ２ ３. 1987. 】､3又は1.55. 1,55μm zero. dlspersion. ＤＦＢ-ＬＤ. ＤＦＢ-ＬＤ. ｏｒＦＰ-ＬＤ. 十ＥＤＦＡ. 1､3orl.55μm zero dispersion. ＤＦＢ-ＬＤ. GeヽAPDor. hlGaAs-APD. lnGaAs-AM）. 40km(1.3μm) 80km(1.5匁ｍ). 40km. 32256. 1989. 160km. 40kn!(I,3μm). (1.55μm〉. 80km(1,55μm}. 1994. 1990.

一. １．２. 1000. FI.AG (遠隔励起増幅器使用3 禽 F.葡OM 【光出力増幅器使用】● 00. ︵１︶涅巨羞仔. llj恥･)ｘi‰M. aぶ｡i. FjOG. ｰﾌﾞﾙ一条による双方向中継伝送系であり、海底回勅伝送方式で実用化されてい. G･j113U.7G. る方式構成である｡図1-3(c)は一条双方向伝送系による1+1冗長ｼｽﾃﾑの構成例で. 10. 0 F4M. ある。各構成に対応したｼｽﾃﾑ信頼度の計算例を図1-4に示す。双方向中継器を. !IJlj榔･WI陶. 使った一条双方向伝送系は所要中継器数が通常のｹｰﾌﾞﾙ２条による双方向中継. 恚 同軸 方式csjM. △. ▼. 伝送系の半分となるため高信頼化か図られる。また、ｹｰﾌﾞﾙも１条で済むため経. DC-100M. C-12M. 済化も期待され方式的なメリットは大きい。しかし、現在実用化されている一. clM I)c11㈲M. 条双方向伝送方式は、電気のアナログ増幅器を中継器として用いた海底同勅方. １. 1970. 1960. 2000. 1990. 1980 商用年度. 式だけである。また、システムの信頼性は冗長構成を取ることにより一層の高. 光ファイバケーブル 印. を示す。図1-3(a)は一方向中継器とケーダル２条による双方向中継伝送系であり、. OO11jSsj(光線形中継器使用) 41為㎜1. が云送方式 春. 図1-3はケーブル中継伝送系の信頼性比較のための構成ﾓﾃﾞﾙと､信頼度関数(13). ほとんどの商用ｼｽﾃﾑで採用されている構成である。図1-3(b)は双方向中継器とｹ. F･4㈲M/F･l.6G. F'1(X)り1･dgM. 研究の目的と課題. 信頼化か達成される。. −ブル 光線形中継器 (光増幅器). 光電気変換形 再生中継器. 電気再生中継器. 単方向中継器 ﾄ←中継間隔:L。力 →. ￣. K｝. 電気線形中継器 (電気ｱﾅげ増幅器) 図１−１. ｜. 2j. 一. 2i gl. 一. ２ｔ Ｓ｝. （. 沢. -. 2･Ｌりs,es ￢1￡ rlP. 「. rj中継器1台の信頼度. ｹｰﾌ勺ﾚ伝送方式の長ｽﾊﾟﾝ化と中継伝送技術の推移. (a)2条双方向中継伝送系の構成と信頼度関数. 乙 20 詞. 詞. o S2 g. 7?. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. (a)1.3μm. 図１−２. 双方向中継器. ￡ （. 現用系. ﾋ!ti. itt. Ξl. E1. ﾄﾞ'−i. μ＝1−. 予備系. (♭)1.55岬zero. dlsperslon flber. 単一モード光ファイバの特性と構造. ４. ΓEP. 「. (b)1条双方向中継伝送系の構成と信頼度関数. zero disperslon flber. ゛￣. Eヨ. ￨-14p-￨. Wavelen91h(μm). 一. １. 1.2. 一. ﾄｰlo凹･祠. 0.1. 1.1. ）. ￡. ﹄. 々＝L｡ss. 0.2dB/km atl.55Rm. ｃｏ・僻﹄laslQ OlleujoJqo. １ (ul)1/lp}ssol. /. （a）/ ///ly/. ︷Ｅｉｊ、ｌ︸. Totaldlspeｽﾞﾋﾞし .. りμど削. （. （c）1十１冗長構成による１条双方向中継伝送系の構成と信頼度関数. 図１−３. 中継伝送ｼｽﾃﾑの信頼性比較ﾓﾃﾞﾙ. ５. Jysr剤. 1−rlz゛.

一一 -. 0.9 0､8 0.7. 海底用双方向中継器の基本回路 一一----------------------. 0､6. ﾐl ︱−−Ｉ. 包 忌0,5 寧. ｜竺−. →. ｌ ︱︱−ＩＩ. 0.4 0.3 0,2. ←. 高群信号 ｌ. ｌ ＩＩ１. 0.1 0 ０. 20. 40. 60. 80. 100. (ｼｽﾃﾑ長／中継間隔) 図１−４. 中継伝送ｼｽﾃﾑ信頼性の計算例. 図1-5は双方向中継器の構成例を示す。図1-5(a)の海底回勅伝送方式用双方向. ← 高群信号. 海底同軸ｹｰﾌﾞﾙ. 海底中継器. (a)海底回勅伝送方式用中継器の構成(実用方式). 中継器はアナログ増幅器、低減ﾌｨﾙﾀ・高城ﾌｨﾙﾀによる方向ろ波器等で構成され、 それぞれ別の周波数帯が割り当てられた上り・下り信号を一括増幅器したあと EDFAを用いた双方向光中継器の基本回路. で、方向ろ波器で上り下り方向に分離している(1)。海底伝送方式のような長距. ･-----------一一一-一･一--=-----------一一--一一-一一一一一一一一Efbill･-D｡pedFibef. 離のアナログ中継伝送を実現するためには、中継器利得とケーブル損失を高精 度にバランスさせる必要がある。海底方式では布設後の個々の中継器の利得調. Dowls1腿−･silnal･/DM → Coup】a. Upsぼeamslgnj ←. ≒1. 整が不可能であるため、布設前に中継器利得とケーブル特性を厳密に調整して. 悶げ r詣ざ‘ 包 Pua?LDs. いる(1)。このため、海底回勅ケーブルの深海における諸特性の精密把握が方式 実現のための必須の条件となっている。この要求に対処するため、深海の状態 をシミュレートする圧力試験装置と高精度測定技術が必要とされる。. ← 上り信号. 一方､光伝送方式においても双方向中継器はｼｽﾃﾑの高信頼化と経済化のため、. 光ﾌｧｲﾊﾞ 双方向光中継器. 実現が期待されている。図1-5(b)に示すようにｴﾙﾋﾞｳﾑﾄﾞｰｱ光ﾌｧｲﾊﾞ増幅器 (b)双方向光中継器の構成(研究レベル) (EDFA)の入出力端子から発振防止用のｱｲﾙｰﾀを除いた構成の双方向中継器や、 ｻｰｷｭﾚｰﾀを使った構成､海底回勅伝送方式と同様に方向ﾌｨﾙﾀを使った構成等が検 図１−５. 双方向中継器の構成例. 討されている(14)。しかし、過剰利得による発振や、EDFAの利得相互飽和によ り上り・下り信号が影零しあうなど解決すべき課題は多い。. ６. ７.

-「. -. lxNOPlkal CouPler Array. 予備切替に使われるスイッチ素子としては初期の装置は回報スイッチ(I仇現. NXIOPtical Coupler Array. ･ノ ノ ／プ ／ ／. 在の装置ではＬＳＩ技術によるスイッチが値われている皿。しかし、スイッチ. ／. ／ Outputl. ／／. 素子としては広帯域で、出来るだけ伝送速度に依存しない形式が望ましく、さ. 覧. ／. らに、大規模な超高速電子回路においてはEMIの発生、光伝送路と電子回路と. く:. lnpull. ／. 已fi. ／. ／. ノ. {二二}. を接続するための光インタフェースによる装置の大型化の問題が懸念される。 これらの問題に対処するため、大規模な光マトリクススイッチの実現が望まれ. ／. ゲ. OutputN. （a）光マリックススイッチの基本構成. ている皿。 図1-6(a)は光ゲートを用いたＮＸＮクロスバー形光マトリックススイッチの 基本構成を示す。各光ゲートは目的の信号光のみが通過するよう制御され、通 過光は再度合波されて出力される。この構成はN2個の光ゲートを必要とし、大 規模化に難点がある。このため、図1-. 6 (b)(c)に示すように構成部品数削減を狙 lnpllｸﾞｰ. いとした各種構成法が検討されている。. OutPutl. ／. 図1-6(b)のＯＥ／ＥＯ変換形スイッチは光信号を電気信号に変換し、電気領. lnputl. ．. OutPutN. 域で信号処理を行った後再度光に変換して出力するものであるｏ。受光素子・ 発光素子による帝城制限があるものの、光分岐部・合波部の損失が補償でき、 OEIC化による部品数の削減が期待できる。. （b）O/E変換形光マトリックススイッチの構成例 Optical Frequency. 図1-6(c)の波長多重分雛形光マトリックススイッチは信号光毎に異なる波長. Convener. Array. NXIOplical Coupler. lxNOptical. Optical −_.._¶__ Coupler AmPliner. Tunable. FilterArray. を割り当てて多重した後、チューナブル光フィルタにより希望する信号光を抽 出する構成となっている。この構成法は大規模なマトリックス構成における構. lnputl. Output l. lnputN. OutPutN. 成部品数が少ないという利点がある(18)(19)。すなわち、ＮＸＮマトリックスに必 要な部品は、Ｎ個の波長変換器とＮ個の分離フィルタの計２Ｎ個である。本構 成では、光多重部・分岐部の損失は光増幅器により補償できるので、スイッチ. ︲Ｉ１ＩＩ. の規模は主に利用可能な波員数により決まる。目標とする任意の光周波数に信 号光と光ﾌｨﾙﾀを正確に設定し、長期間一定値に保つ技術が必須である(2‰ なおヽ本構成は送信側と受信側が離れた場所に設置された場合には､図1-11(c). 一一一一. （c）波長変換形マトリックススイッチの基本構成. に示す波長多重伝送方式と全く同じ構成となる。したがって、光周波数の高精 度制御技術は高信頼な光伝送方式を実現するための重要な基盤技術と位置づけ. 図１−６. 光マトリックススイッチの各種構成例. られる。. ８. ９.

-一一 -. 8 は送信出力の進展. を、図1-9は高感度化の進展を示す(21)。 光ファイバに送出できる送信電力の最大値は、従来は光源出力により制限さ. 用いた通信系では数ｍＷ程度で光ファイバの非線形特性の影響を受ける場合が ある。具体的な値は、光源のｽﾍﾟｸﾄﾙ広がりや、変調形式等により異るので、出. Ｃ ￥Ｉ Ｃ −︲︲−. 光ファイバの非線形特性により制限されるようになってきた。狭ｽﾍﾟｸﾄﾙ光源を. Ｉ. れていたが、現在では半導体レーザの高出力化の進展、光増幅器の実現により. 25. 20 15 (uiaP¥ P¥ xn j(x)j;x&I. 図1- 7 は光伝送ｼｽﾃﾑの基本構成とレベルダイヤを、図1-. 力制限を緩和するための方策が工夫され、素子技術の進歩と光増幅器の適用に. Year. より最近のシステムでは初期に比較して、約20dB(100倍)もの大幅な高出力化か. 図１−８. 送信系高出力化の進展. 亀’. 図られている。. ○. 光７７イバ. 光ファイバ. ○＿. ○＿. 光ファイバの非線形性 にtilli2y制限. ・→. 送信出力. 光レベル 中継利得. Ge-APD ， 32Mhiりs・. I】nGIAs-APD. EDFAjl.4S. ｀・ ○･， ・.1.8Ghiぴs・. T. MP6奸Tドフ 450Mbiljs，450Mhis. ㎜＝ ＝㎜㎜ l,SGbiぴs， l. ‡. 尹６. 受信系. 中継装置. 送信系. (l!q/uoloqd)49sugS. 10,1. 1. l. 10Mhil. CPu】seB1む6d. 620Mb. ｢s. ’ぷj.,.‥’−】1（恥As-APD. 申‥二T. 1.86bj既‘･りGbiMs ＊. APD）. ＊. 100. ‥19G!岬･ EDFA/0.9S. Ｅ已 ・. IM/DD方式のシ・ットノイズ限界:10Photor1/bjt. 10. 75. 80. 85 Year. 90. 95. ↓. 図１−９ 一受光ﾚﾍﾟﾙｰ ← ・. 高感度化の進展. ｡. m. 中継間隔. ・. 最小受光レベル. 光ファイバ伝送距離. 受信系には、光の粒手性に起因するショット雑音、受光素子の雑音、熱雑音 等の各種雑音がある。受信信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）あるいは誤り率が規. 図１−７. 光伝送システムの基本構成とレペルダイヤ. 定値（例えば10-9）を満足する所要の受光レベルを、最小受光レベルと呼んで いる。伝送速度が数Gbit/sまでの受信系には、素子自体に光電流の増幅作用があ るため高感度が得易いＡＰＤを受光素子として、これ以上の伝送速度ではｴﾙﾋﾞ ｳﾑﾄﾞｰア光ﾌｧｲﾊﾞ増幅器（EDFA）と高速応答に速したＰＤを組み合わせて構成す. 10 １１.

-. ｴﾙﾋﾞｳﾑﾄﾞｰﾌﾟ光ﾌｧｲﾊﾞ増幅器(EDFA)は石英ﾌｧｲﾊﾞが最小損失となる1.55μm波長. る場合が多い。図1-9に示すように、受光素子にGe-APDを使った初期の伝送実 験(22)では１ビットあたり光子10000個が必要であったが、EDFAを使った最新の. 帯に利得があり(24へ各種の光伝送方式への適用が進められている。図ト10はｴﾙﾋﾞ. 実験例(23)ではわずか130個程度であり、約19dB(80倍)もの大幅な高感度化か実現. ｳﾑﾄﾞｰﾃﾞ光ﾌｧｲﾊﾞ増幅器の構成例と特性を示す(2≒図ト10(a)は利得と出力電力の. されている。. 関係、(b)は遅い繰り返し(100Hz)の矩形ﾊリｽ入射時の出力波形を示す。 希土類元素の一種であるエルビウム(Er:原子番号68)をコア部に微量(数10∼. 実際のシステムでは光ファイバ損失が変動しても、安定した動作を実現する ため最小受光レペルよりも数dB(例えば3dB)程度商いレベルの光信号を受光で. 数千ｐｐｍ)に添加したｴﾙﾋﾞｳﾑﾄﾞｰｱﾌｧｲﾊﾞ(ＥＤＦ)に励旭光を入射すると、励. きるようにレベルダイヤを構成している。送信レベルと受光レペルの差を中継. 起光によってエルビウムイオンが高いエネルギー準位に励起される。この時、. 利得、送信側と中継装置までの光ファイバ長を中継間隔と呼んでいる。表1-3. 光ファイバ中に信号光が入ってくると誘導放出が生じ、信号光が光ファイバに. は光伝送方式の長スパン化技術の進展の要約を示す。長ｽﾊﾟﾝ化を達成するため. 沿ってしだいに大きくなり増幅される。. には、EDFAを用いて光ﾌｧｲﾊﾞが低損失･低分散となる1.5μm波長帯に於いて送信. な0.98μm、1､481tmに高効率の励起波長帯があり、数ｍＷ∼数十ｍＷの比較的小. 系の高出力化と受信系の高感度化を図るとともに、高出力光入射時の光ﾌｧｲﾊﾞ. さな励起電力で増幅器として動作し、通常の単一モード光ファイバとの接続損. の非線形特性による伝送特性劣化を回避できる長ｽﾊﾟﾝ化に達したシステム構成. 失が小さい、利得は信号の偏波方向に依存しない等実用的に優れた多くの特長. 法の確立が課題である。. を有している。しかし、図ト10(a)のようにEDFAの利得は出力レペルにより変化. ＥＤＦＡは、半導体レーザで発生可能. し小出力時には高利得、大出力時には低利得となる。このため、EDFAの時定数 トmsのｵｰｸつよりも繰り返しの遅いパルス列を入射すると､無信号時にはEDF が十分に励起され高利得の状態となるので、再度光信号が入射され. 表１−３. 光伝送方式の各種長スパン化技術の進展 90年. 85. Gain(dB) 伝送路構成. 40. 高出力送信系十低損失伝送路十高感度受信系. Sig“l゛s゛ele°gtll:1.55pm. −―遠隔励起方式. PIrlp wavelelgti Pumppower:PI+P2. 30. 波長帯 光ﾌｧｲﾊ. 送信系. Grad ･lndex← Multj-mode Fiber. Conventjnal Singlcm(xjeFiber. ←Dispersion. Direct modulajon一一s-4− DFB-LD. Modulator ＋EDFA. lnput. PumpLDs:PI. ←ＥＤＦＡ＋ｌｎＧａＡｓ-ＡＰＤ. PumpLDs:P2. 0. 10. lnGaAs-APD. Ｇｅ-ＡＰＤ. 10. Direct Modulatjon ＋EDFA. EDFA十RAMAN Amplincatjon ←Spectrum Broadened DFB-LD＋ ExtemaI Modulator ＋EDFA 受信系. △:57十47mW. 20. Shined Fil DFB-LD＋Extemal. FP-LDDirectmodulation ←DFB-LD. m. ○:66+69mw □:57+58mw. 】.5μm唇. 1.3μm帯. :1.48M. 0 0utput. 10 power (dBm). 2nls/div. 20. ＥＤＦＡ十lnGaAs-PD. (a)利得と出力電力の関係. 図１∼１０. 12. (b)矩形ﾊﾟﾙｽ入射時の出力波形 (繰り返し100Hz). ｴﾙﾋﾞｳﾑﾄﾞｰア光ﾌｧｲﾊﾞ増幅器(EDFA)の構成例と特性. 13.

-. ると図1-10(b)の様に出力信号には過渡応答特性が観測される。過渡応答のピー. ない中継伝送系が構成される。(c)は波長多重(ＷＤＭ)信号をＥＤＦＡで共通増幅. ク電力により光コネクタ、光学部品等の破損を招く恐れがあり、利得を信号レ. する中継伝送系の構成である。(d)は双方向ＥＤＦＡによる一条双方向伝送系の. ベルに依らず動的に安定化させる必要がある。また、波長多重信号や双方向伝. 構成である。このように、EDFAは光伝送方式の長ｽﾉ万化だけでなく、ＷＤＭ信. 送信号の共通増幅時の相互利得飽和の抑圧、励起波長の変動に起因する利得変. 号の共通増幅、線形中継伝送・双方向中継伝送を実現し光伝送方式の一層の高. 化(特に0.9鰍ｍ励起の場合)を抑圧するためにも動的な利得安定化は重要な検. 信頼化と経済化を達成するキー技術として重要な役割を果たしている。 ケーブル伝送系の構成は伝送媒体の特性に大きく依存している。したがって、. 討課題である。 図トIIはＥＤＦＡの特徴を生かした各種伝送方式の構成例を示す(21)｡(a)は送 信系の高出力化と受信系の高感度化により長スパン化を狙った構成である。(b) はＥＤＦＡを線形中継器として使用した中継伝送方式であり、電子回路を用い た再生中継器に比較して構成が簡単で小形になるとともに、伝送速度に依存し. 新たに発見された高温超伝導体などの伝送媒体について適否を明らかにするた めにタイムリーな特性評価が重要である。 表ト４はｹｰﾌ勺ﾚ伝送方式の高信頼化、長ｽﾊﾟﾝ化の手法と主な研究課題の要約と、 対応する本論文の章番号を示す。なお、表中の破線で囲まれた項目は本論文で 議論している内容である。. 伝送路. (a)中継間隔の拡大. (b)線形中継方式. λ1 λ2 λ3. (e)波長多重方式 双方向EDFA. (d)双方向伝送方式. 図１ − １１. ＥＤＦＡを適用した伝送方式の構成例. 14. 15.

-. １. ３. 論文の概要. 本章(第１章)では研究の背景を述べ､ケーブル伝送方式の高信頼化と長スパン. 表1-4. ｹｰﾌﾞﾙ伝送方式の高信頼化、長ｽﾊﾟﾝ化の手法と主な研究課題. 研究 検討手法 ﾃｰﾏ. 第２章は海底回報ケーブルの圧力特性について、圧力試験装置を用いて評価. 方式別の検討課題 同軸伝送方式 (海底同軸伝送方式). 対応する 章の番号. 光伝送方式 1長ｽﾊﾟﾝ化による所要数の削減. 中継器数 の削減. 化に関する要求条件と技術課題を明らかにしている。. 双方向ｱﾅﾛｸ'中継器による 一条双方向伝送方式. 対応する. 第!.2瞰. 第６章. 洸ﾌｧｲﾊﾞ増幅器の利得安定化. 双方向ｱﾅﾛｹﾞ中継器. 第７章. 双方向光中継器の構成法 一･一----一一一=一一一･. ぽ海底におけるｹｰﾌﾞﾙ特性の解函. 第２章. 頼 伝送路特性 化 ￨回勅ｹｰﾌﾞﾙ減衰量の精密測定技祁j 第３章 高精度把握. ｱﾅﾛｹﾞ増幅器の評価技術. 第４章は高温超伝導体の高周波表面抵抗の渕定法について議論し、一対の円. 光ﾌｧｲﾊﾞ特性の評価、測定技術. 柱状の試料を用いて各種ＹＢＣｕＯバルク試料の液体窒素温度における１∼８. 光ﾌｧｲﾊﾞ増幅器の利得、 雑音指数測定技術. 第５章. 送信系の予備光源切替. 長 ス パ ン 化. 低損失、 低分散 伝送媒体 の適用. 新伝送媒体の追求 (高温超伝導体の特性評価. 第８章 第９章 第10章. 第４章. 高出力化， 高感度化 ｱﾅﾛﾀﾞ増幅器の高出力化. 第６章ではｴﾙﾋﾞｳﾑﾄﾞｰﾌﾟ光ﾌｧｲﾊﾞ増幅器(EDFA)の利得制御方法について議論 している。従来の利得制御においては入力光と出力光を検出して利得を算定し、 励起ＬＤにフィードバックをかける方法が一般的であった。このため、回路が. 低分散波長の適用 (高精度光周波数発生技術). 第９章. 複雑となり、さらに信号が無いときは制御できない、利得が大きくなると制御 誤差が増加する等の欠点があった。これらの問題点を解決するため、本章では. 光ﾌｧｲﾊﾞ増幅器の高出力化 光ﾌｧｲﾊﾞ非線形特性の評価と回避方法. 長ｽﾊﾟﾝ化 に適した ｼｽﾃﾑ構成. 光を用いて測定法する方法について議論している。. 第11章. 1.3、1.55μ波長帯の実用化. 大□径海底同軸ｹｰﾌ'ル. ＧＨｚ帯の表面抵抗を評価している。 第５章ではｴﾙﾋﾞｳﾑﾄﾞｰﾌﾟ光ﾌｧｲﾊﾞ増幅器(EDFA)の利得と雑音電力を、試験ﾊ句ﾚｽ. 光ﾏ｝ﾘｯｸｽｽｲｯﾁ ・O/E変換形ｽｲｯﾅ ・波長変換形ｽｲｯﾁの要素技術 （高精度光周波数発生技術、 光周波数同期技術、 光ﾌｨﾙ呻」御技術）. 予備切替. 第３章は圧力特性の評価に必要とされる短尺のケーブル試料を用いた回勅ケ ーブル減衰量の精密測定法について議論している。. 双方向光中継器による一条双方向伝送. 高 信. ーアル絶縁体外形、ならびに絶縁体の誘電率･tan8等について水深５０００ｍの海 底環境下での特性を明らかにしている。. ﾃﾞｨｼﾞﾀﾙ中継器回路のICｲﾋ 光増幅器による線形(ｱﾅﾛｸﾞ)中継器. 中継器構成 のｼﾝﾌﾟﾙ化. した結果について述べている。海底月輪ケーブルの減衰量、位相、静電容量、ケ. 章の香り-. 第12章. 遠隔励起光増幅器による 無中継伝送方式. ＥＤＦ側面からの自然放出光を検出して励起ＬＤを制御する利得安定化方式を 提案し、実験結果を述べている。. ｌ. 第７章では利得安定化EDFAによる双方向多中継光伝送実験について述べて いる。同EDFA4台を使って構成した400kmの双方向中継伝送路による、異なる. 注）. ｜. ;内は本論文で議論した内容. 波長の622Mbit/sと2.4Gbit/sの双方向伝送実験結果について議論している。 第８章では､ｼﾘｺﾝﾎﾄﾀﾞｲｵｰﾄﾞをｽｲｯﾁ素子とする光電気変換型ﾏﾄﾘｯｸｽ光ｽｲｯﾁにつ いて、ｽｲｯﾁ速度、漏話特性、光源に対する要求条件、達成可能なﾏﾄﾘｯｸｽｻｨｽ≒こ ついて述べている。. 16. 17.

-. 第９章では、パルス化掃引光周波数発生節と同期光発生節とにより構成され. 単一ﾓｰﾄﾞﾌｧｲﾊﾞ（DisPersion-shifted nberならびにConventional. fiber）のラマン増. るEDFAを用いた掃引光周波数シンセサイザの構成法について議論している。動. 幅特性および高電力光信号入射時の伝送特性についても評価している。最後に、. 的に利得を制御したＥＤＦＡと光周波数シフタ（ＡＯＤを適用）とを舎むファ. 本方式による1.8Gbit/s信号の310.3km伝送実験ならびに、620Mbit/s信号の375km. イバループを使ってパルス化掃引光周波数を合成し、同期光発生部によりパル. 伝送実験について述べている。. ス列中の任意の光パルスの光周波数に同期した連続光を発生する。本方法によ れば、安定で絶対周波数の確度が保証された光周波数を広帯域にわたり自由に 発生することが可能となる。 第１０章では、光伝送装置の光周波数を高精度に管理するため、光ファイバ 網を使って各伝送装置に基準光周波数を分配する方法について議論している。 パルス毎に異なる光周波数を割り当てたパルス列（時分割参照光周波数）を基 準光周波数として光ファイバ網を使って各伝送装置に分配する方法を提案し、 分配の時のファイバ非線形の影響、線形中継器の動的利得制御法、システム設 計法及び実験結果について述べた。 第１１章では、高密度ＷＤＭ方式用の送信器、受信器の動作光周波数を絶対 周波数で指定するための時分割参朋党周波数を用いた装置構成法について述べ るとともに､本装置構成により可能となったﾌﾚｷｼｱﾙな光周波数配置が４光波混 合の影響を避けるために有効であることを622. Mbit/sの４チャンネル高密度波. 長多重伝送実験で確認した。 第１２章では中継間隔の拡大を狙いとして、遠隔励起光増幅器を適用した新 しい形式の光伝送方式構成を提案した。伝送路の途中にｴﾙﾋﾞｳﾑﾄﾞｰｱﾌｧｲﾊﾞ光増 幅器・ラマン増幅器を設置してファイバの端末から遠隔励起することで増幅器 として動作させることにより中継間隔を大幅に拡大する遠隔励旭光伝送方式を 提案し、その有効性を実証している。本方式では、光ファイバを使って励旭光 を光増幅器に供給するので、励起光源等のアクティブ部品は保守が容易な局舎 に設置でき、伝送路の途中に電子回路・励起光源等のアクティブ部品を必要と しない。このため、伝送路構成が単純化されるので高信頼であり、経済化も期 待され海底伝送方式に適している。本方式を実現するために検討した光部品” EDFA前置増幅器、EDFA出力増幅器”構成と特性について述べている。さらに、. 18. 19.

-. Mbitys. 参考文献 -. with two erbium,doped. fiberamplifiers"，0FC/IOOC'93，Tul6，pp.42-43，San. Jose,Ca,Feb.1993. (1)葉原耕平絹、“情報通信技術ハンドブッグpp.308-368. (15)高橋，山岸，"信頼性向上を目的としたディジタル伝送路網切替方式¨。 オーム社昭和62年12月20日発行 施設vol.34,N0.1】，pp.101−HI，1982 (2)中川、相田、青山、宝川､"Optica】Amplification. in Trunk. Transmission. Networksl‘、 (16)相田,西,中川,I'Optical. IEEE. Protection Switehes for Tnjnk. Transmission. Systems¨，IEEE. LTS､ Febn】aly 1992 lntemational. (3)上杉、河田、大橋、田中:¨1.5μm帯単一ﾓｰﾄﾞ光ﾌｧｲﾊ゛ｹｰﾌﾌ≒通研実報、. Conference. on Communications. (17)相田，松野，豊島,I'Design. 1988. and Performance. of an opt-electronic. Matrix. Switch. 第35巻N0.1、pp.339､1987 using Si-PIN Photo-diodes"， IEEE (4)I.Jacobs､I'Design. considerations for long-hauHightwave. systems" 【EEE. JLT. vol.6，N0.1，pp.131-138. Jan. 1988. J. Select. (18)S.F.Su,L.Jou,J.Lfnart,¨AReviewonClassificationofoptica1Switching. Areas. Commun､. SAC-4､1389-1395､December. Systems'I，. l989 IEEE. Colnlnunications. Magazine. May. 1986, vpl.24,N0.5. pp.50-55. (5)相田､中川､根岸:I'高性能化F-400M方式¨、通研実報、第36巻、No3pp.315(19)M.S.Goodman,'IMultiwavelength 321、1987. Switching¨,IEEE. (6)相田、萩本、林、中川:'･. 1.55μm帯Gbitﾉs伝送系の構成と特性"研究実. (20)K.Nakagawa,K.Aida,and. 用化報告、第37巻第9号pp.543-548、1988 (7)河西宏之、槙. Frequency. Modu】e"，IEEE. at l.8Gb/s using LD. detection system､'I Electron. pumped. Er-doped. Lett.､vol.25 N0.10. non-repeated. transmission. fiber amplifiers in an IM/Direct-. R＆D. (11)E.K.Stafford、J.Mariano、and Challenges、 and. pp.47-59､January/February. vo口4. N0.16. ICCI94. M.M.Sanders、“Undersea Products¨、AT＆T. Technical. Non-Repeatered ]ournal. Vol.74、N0.1. l995. Networks. J.Freeman. of Modulation. 20. 1994. pp.97-101，1995 50km. TRANSMISSION Letters Aug. 1978，. Non-repeatered. Transmission. lnstabilityll,E lectronics letters 】2th,May.1994. fibre amplifier operating. PAYNE.. at 】｡54μ. vol.30. (25)相田，西，萩本，高田，"光増幅器を用いた強度変調直接検波光伝送系の NTT，R＆D，vol.40. N0.2,pp.229-238，1991. 昭和５２年発行 bjdirectional tfansmission at 622. 21. D.N.:'Low-noise. ｢,Electron.L￡tt.，1987，23，pp.1026-. 1028. 1993. and J.Conradi､¨Fun-duplex. with Pulsed. pp,797-798. 検討'≒. 久、“電子技術者の信頼性工学'I、総合電子出版. Packet. 1989, pp.27-35. 304.2･pp.116,120,May. (12)西畑、海野、矢野、後藤／'無瞬断切替を可能とするSDH-52M/156Mｸﾛｽ=･ネ Vol.42 N0.7. to. pp.520-521. with Suppression. erbium-doped. vol.44､N0.3､pp･241-246､Maf.1995. (14)J. Haugen､. Approaches. Y.Yamabayashi.，¨Photonic. (24)MEARS，R.J.，REEKIE,L.，JAUNCEY，I.M｡and. (10)中川、萩本、“超大容量FA-10G光伝送方式の開発NTTR＆D. (13)三根. New. EXPERIMENTUSINGLOM/-LOSSOPTICALFIBERS",Electronics. N0.10. vol.43､N0.7､pp.791-798、1994. R＆D. october. (23)宮本，片岡，佐野，萩本，相田，小林'110Gb/s-280km. p.662-664、1989. (9)西畑、桑田"中継間隔の拡大を図ったＳＤＨ光伝送システム¨NTT. ク}ｼｽﾃﾑ"、NTT. and. (22)伊藤，中川，相田，竹本，首藤,"NON-REPEATERED. (8)萩本、岩月、高田、中沢、猿渡、相田、中川、堀口"250km. Technologies、. Supply. Magazine. (21)相田，¨通信への応用'≒月刊ｵﾌﾟ}ロニクスN0.4. 一光、辻久雄、ＳＤＨ伝送方式"オーム社. 平成5年9月20日発行. experiment. Communications. Networks.

-. 第２章. 海底回勅ケーブルの圧力特性. 要約 一. アナログ中継器を用いた海底回軸ｹｰｱﾙ方式においては、中継器利得によりｹ ｰﾌﾞﾙ減衰量を等化するために深海底における海底回報ケーブル損失を正確に把 握することが極めて重要である。本章では、圧力試験装置を用いて海旅団報ケ ーブルの圧力特性を検討している。 海底開祖ケーブルの減衰量、位相、静電容量、ｹｰﾌﾞﾙ絶縁体外径、ならびに絶 縁体の誘電率・tan5等について温度５∼２０℃、水深Ｏ∼５０００ｍの海底環 境下での特性を明らかにしている。. ２．１. まえがき. 海底同勅ケーブルは建設工事の際に水深数子メートルもの深海に布設される ので、ケーブルの環境条件は布設船上の常温・案圧状態から深海の状態へと急 激に変化し、数百気圧もの水圧がケーブルに加わることとなる。この水圧に耐 え得るように海底回勅ケーブルにはポリエチレン充実形構造が採用されている。 しかしながら、強大な水圧によりケーブル寸法や材料特性が微小に変化するた め、ケーブルの伝送特性に変動が生じるm−（5）。 この変動は長距離伝送区間において累積され海底回勅伝送路に無視し得ない 等化度偏差を生じさせる原因となる。ケーブル布設後の等化度調整は困難であ ることから、海底におけるケーブル特性をできるだけ正確に予測し、中継器お よび等化器の設計に反映することが海底回勅伝送方式の建設に極めて重要とな る（1）。 本章では、まず海底回勅ケーブル圧力特性の要因分析を行い、この分析に基 づき検討した海底同轍ケーブル圧力特性の測定法について述べる。次に、本測 定法により明らかとなった海底回勅ケーブルの圧力特性、すなわち減衰量・位 相量・静電容量・ケーブル寸法・ポリエチレン誘電特性等の圧力特性について 議論している。なお、本章の測定データは統一を図るため４３ｍｍ海底回軸ケ. 22.

-. 要因①のケーブルの空隙幅は数μｍ∼数十μｍと微小な値であるが、工場か. −ブル（3）を主体とし、一部の項目についてのみ３８ｍｍ海底回報ケーブルの. ら敷設船へのケーブルの移動やヒートサイクルにより伝送特性が変動する原因. 測定データ（2）を用いた。. となっている。この空隙量は製造ピース毎に差があるため少数サンプルの測定 ２．２. から確定的に値を推定することは困難である。このため、方式設計では空隙に. 海底回勅ケーブル構造と圧力特性の関係. 海底回勅ケーブルの断面構造を図2-. 1 に示すm（3）。本ケーブルは中心に. ①ケーブル引っ張り強度を支える鋼より縁、②鋼管からなる内部導体、③低密. よる特性変化を圧力特性とは別にケーブルのハンドリング効果として見積って いる(6)(7)。 一方、ケーブル構造と材料に依存する要因②、③による圧力特性の把握には. 度ポリエチレン絶縁体、④銅テープ縦添え構造の外部導体、⑤ケーブル保護用. 代表試料を精密に評価するだけで十分であり、確定的に特性変化を予測するこ. の高密度ポリエチレン外彼の５つの部分から構成される。 海底回勅ケーブルに圧力が加えられた時の伝送特性の変動は ①外部導体と絶縁作間に微小に存在する空隙の圧力による変化. とができる。したがって、方式設計で圧力特性という場合は通常要因②、③に よる圧力特性を指している。 海底同軸ケーブル伝送特性(減衰量α、位相量β及び静電容量Ｃ)の圧力特. ②圧力によるケーブル絶縁体外径の縮小 ③圧力によるケーブル構造材料の物理的性質の変化 により生じる。圧力が2. 性はケーブルコア外径とケーブル構成材料の電気特性の圧力特性の関数として. 0kgびcm2程度までは要因①が支配的であるが、これ. 下式で表わされる副。. 以上の圧力においては空隙はすべて消失し要因②、③のみとなる。 ｌ ∂ α − 一 − α ∂ 戸. ∂ど. １. ＝｛. １. ∂（y. -. 2，. Ｅ∂Ｐ. −(･ 二十 ｌ ｀‘1. Ｉ(ｙＪＰ. ｊ. 1nG/2/jl）jl十j2. ヅ 妁?. }監 α. Ｉ. 註｣_. ＋(云 2￡∂ρ. 内部導体. 1. ∂7imδ､咎. 7;a,1∂. ∂j7. )-Ｊ jα. 外部導体 ！ β. 絶縁体（ポリエチレン）. ぷ 一 ぷ. β − /7. １ぶε. (2.2). こｰ. IE∂P. １∂Ｃ. Ｉ. 1 ln(ｄリd1). １. ａ. ら 一. 抗張力体（鋼より線） 外披 ∼ 心. 海底回勅ケーブルの断面構造. ヽ− 心. で. p. :圧力. ａｒ. ：抵抗減衰量. αg:漏洩減衰量. 23. 24. (2.3) ρ. ε. − 一 ∂ 戸. ﹃︱ぴ. Ｃ∂Ｐ. ∂ ε. Ｍ Ｊ. こー. -. 図2-1. (2.1).

一. ε. :絶縁体の誘電率. ｡:導体の導電率. 言架. 機械室. ｄ１. ：内部導体外径（絶縁体内径）. ｄ２. ：外部導体内径（絶縁体外径）. ﾏﾝﾎｰﾙ. ・圧力鮨』御 ・温度鮨』銚. ﾏﾝﾎﾍﾞ. 試験室 -------. 一一. 一一. ７￣￣二￨ -. 一一一一 一一一一. ∂. 圧力管（100mmφ）. -. 一 一. -. :絶縁体の誘電体の損失角. 一一. −一 一一 一. 一一. -. 一一. 一一. ｰ-. 水槽 00m. である。なお、上式の誘導では、内部導体外径は水圧により変化しないと仮定 している。. 図2-2. 圧力試験装置の概要. 上式よりケーブル材料の圧力特性が既知であれば、伝送特性の圧力係数を推 測することが可能である。しかし、ケーブル絶縁体に使われているポリエチレ. 表2-1. 圧力試験装置の主要特性. ンの電気特性（誘電率、Tanδ）の圧力特性については、素材単体では変化量. 項目. が小さく測定か困難である。このため、高圧力下でのケーブル伝送特性を直接 測定して圧力特性を明らかにすることとした。また、材料単体では測定できな. 温度条件. 設定範囲 制御制度 測定精度 温度設定に要する時間. 圧力条件. 設定範囲 制御制度 測定精度 圧力設定に要する時間. かったポリエチレン誘電率およびTan∂の圧力特性に関しては、減衰量、静電 容量、位相量の圧力特性から逆算することにした。さらに、高水圧下の伝送特 性の測定とは独立にケーブルコア外径の圧力特性を測定し、これらの測定値を クロスチェックすることで測定値の確度を検証できるようにした。. 長さ. 圧力管サイズ ２．３. 特性 3∼20° C 土0.0y C 土0.01° C 約２日. ヅoo加言 昌ﾚ肪m. 100m x 2本 5m x 1本 100mm. 圧力管内径. 圧力試験装置および測定回路. 圧力試験装置は水深５０００ｍまでの水圧と温度の条件を再現し海底同軸ケ ーブルの電気特性の評価が可能な内径１０ｃｍ、長さ１００ｍ長の圧力管２本. 表2-2. 主な測定項目及び精度. と長さ５ｍの圧力管１本により構成されている(3)(5)｡ケーブルに加える水圧は外 部に設けられた水圧ポンプにより圧力管内に水を注入することにより制御し、. 測定項目. 試料ケーブル長. 測定方法. 再現性. ケーブル温度は圧力管を温度制御された水槽中に設置することにより一定値に. 減衰量. 共振法. 100m. 制御している。本装置の概略図と主要特性を図2-2と表2-1に示す。. 位相. 共振法. 100m. 静電容量. 変成器ブリッジ法. 5，100m. Ｄ=測定値の0.052% (9∼64MHz) お=測定値の0.0015% (9∼64MHz) 測定値の0.01%. ｹｰﾌﾞﾙ外径. 遊動トランス形 電子ﾏｲｸﾛﾒｰﾀ. 1m. 士0.5μm. 本圧力試験装置による主な測定項目は減衰量、位相量、静電容量、ケーブル 寸法である。表2-2に測定項目・測定方法および精度を示す(3)。. 25. 26.

-. 本装置で試験できるケーブル長は100mと短いため､その損失は僅か0.2dB(10 MHz)と小さな値である。このため、通常の減衰量測定に使われているネットワ. で、微小減衰量の測定に適している２種類の共振法(両端短絡型共振法及び両. 採用し減衰量圧力特性の評価を行なった。減衰量測定値の標準偏差は、測定値 64. MHz)と圧力特性の評価が可能な精度を得ている。. 位相量についても共振法を採用し、標準偏差として測定値の0.0008％(周波数 範囲9. 64. MHz)と圧力特性の評価に十分な値を得た。. ２. １. ︵ｘ︶ｃ ｆ Ｎ ０ ０ ０ ０. aJIu Jo g!lmu4V. 端開放型共振法：第３章に詳述)を開発した。本章では、両端短絡型共振法を. の0.026％(周波数範囲9. ４. 言 ｉ. ークアナライザ等では測定誤差に埋もれて圧力特性の測定は困難である。そこ. ０ ０. 100. 静電容量圧力特性の測定には、再現性が測定値の0.01％以内の市販の変成器. 200. 300. Hydrauhc. 400. 500. 600. pressure（kgf/c. ｢）. ブリッジを採用した。 ケーブルＪア外径圧力特性の測定には､再現性が士0.5μm以内の市販の差動. 図2-3. 減衰量と圧力の関係（8.4MHz）. トランス型電子マイクロメータを採用した。. ２．４. 圧力特性測定結果 減衰量圧. 性 −. ケーブル長１００ｍの試料２本について、水圧（０、２５０、５００気圧） 64. MHzにお. 圧力の増加に伴い減衰量は増加し、500. ＭＨｚ）と圧力の関係を示す。. kgfycm2から常圧まで減圧した際には、. 加圧前の値に回復せずヒステリシス特性を示した。図2ぺは、温度５℃におけ る加圧前と加圧後の常圧における減衰量変化の周波数特性を示す。減衰量の変 化の割合は周波数によらずほぼ一定しており約０．１. Cable ×. N0.2. 0.2. −. 詐言．回ﾄﾞﾚｼ｀ ｏｏ粂xo. oo%否. １ ０. 図2､3は温度５℃における減衰量（周波数８．４. Cable N0.1 0. ０. ける減衰量の圧力特性を評価した。. 0.3. １ ０. と温度（５、１０、２０℃）をパラメータとして、周波数範囲9. (%)¥3V＆xpuo9qv. ２．４．１. ○. −. ｜. 0.2 ５. ｜. 10. ｜. ｜. 20. 30. 50. Frequency(MHz). ％増加している。温度１. ０℃においても同様な加圧前と加圧後の減衰量変化が観測されたが、温度２ ０℃においては変化が観られなかった。この現象は、ケーブルの外部導体と絶. 図2･4. 加圧前後の減衰量の変化. 縁体間の微少な空隙（約１０μｍ）が加圧により取り除かれたためであると推定 される。. 27. 28. 100.

-. 数から以下のように求めることができる。. ×10￣5（1/kgf/cm2）. ４ ２ ３ ８ ６ ４ ２ ｎ乙 ３ ３ ２ ２ ２ り乙. lu;)F)!p(x)amssald. １ 燧 − α ∂ρ. ＠z)C＝{分. ∂ε. lcaP. ∂（y. 1 −（. I(J∂μ. ∂ 心. I. j1. ｝. 十. ｡ ） 1n(dツｄ1) j1十j2. − j. ，. − ∂ 7?. 叫 一 α. (2.5). ＝(1.95十〇.0177)×10￣5. なお、この計算では銅の導電率の圧力係数として文献（８）の値. 1∂（y -. ５. １ 一一. 10. 20. 30. 50. 100. ＝2.94XIO￣6（剱w￣1c. ｢）. (2.6). (7∂77. Frequency(MHz). 図2-5. 減衰量圧力係数の周波数特性. を用い、絶縁体用ポリエチレン樹脂の誘電率圧力係数および外部首体内径の圧 力係数については後記の式(2.11)および式(2.12)に示す実験式を用いた。減衰量 圧力係数の低周波領域における実測値[式(2.4)の第１項]と式(2.5)による計算値. 図2-5は温度５℃における減衰量圧力係数の周波数特性を表わす。なお、空 隙の影響を避けるため5. 0 0 kgfycm2まで加圧した後の常圧におけるケーブル. 減衰量を基準値としている。図より圧力係数には周波数特性があることが分か る。温度５、１０、２. はよく一致した。 次に、絶縁体用ポリエチレン樹脂のTan∂の圧力係数は、減衰量圧力係数と 誘電率圧力係数を用いて式(2.1)を変形した下式により求めることができる。. ０ｃＣにおける測定値から、減衰量圧力係数の温度・周波 1. 数特性の実験式として. -7皿δ. (kgflcm2)(2.4). 一 一. ∂β. １∂ 狸 − − ａ ∂. α. １∂ε. -. ρ. αg. こ ∂∂−. ￡ 一 戸. ｌ￡ａＰ １. 1∂（y. １. jl. -. 2(y∂ρ. ｀1n(d2. 辺. １∂ α ＝(1.97＋o.oo2867)×1o￣5＋(2.02−o.o23好)yxlo￣7 − 一 − α ∂. ∂T皿６. / d, ). jl十両. ）. ∂ ら 一 − ∂ 戸. 西 -. (2.7). α 1. 戸. 上式の第３項αΓ／ａ を得た。. ここで、ｐは圧力（kgfycm2）、fは周波数（ＭＨｚ）、Ｔは温度（℃）. である。. ｇの係数は式(2.4)および式(2.5)より減衰量圧力係数の周. 波数特性を周波数Ｏに外挿した値として求められる｡図2･6にTan∂圧力係数の 測定例を示す。測定値にはかなりバラツキがあるが、これはケーブルの全減衰. 減衰量圧力係数とケーブル材料圧力係数との関係式｢式(2.1)｣において、 叫/αは低周波領域では１にヽ馬/“はＯとなるのでヽ低周波領域の減衰量圧力. 量に占める漏洩減衰量の割合が小さいため、減衰量圧力係数の測定値のバラツ キが拡大されるためである。. 係数は、絶縁体誘電率、導体導電率およびケーブルコア外径それぞれの圧力係. 29. 30.

−一一一一一一. -. ２．４．２. ×10￣5（1/kgf/cm2）. 吐. 静電容量の圧力. −. ２. 長さ５ｍ及び１００ｍの試料を用いて静電容量を温度（5∼2o℃）と圧力 luapaP(x)amssald. （o∼500 kgf7cm2）をパラメータとして測定し、その圧力特性を明らかにした。 １．５. 図2-7は圧力を２０２ｋ峠cm2から3. 1 2 kgf7cm2に急激に加圧した場合の時. 間的変化の様子を示している。加圧水の注入によるケーブル温度の変化やケー. １. ブル絶縁体の粘弾性特性のため、加圧直後は大きな時間的変化が観測されるが、 しだいに変化量は小さくなり加圧後６０分程度経過するとほぼ定状状態に達す. 0.5. る。そこで、以下の測定では圧力設定後１時間経過したあとの測定値をその圧 力における値とした。. ０. 10. ０. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 図2-8に温度をパラメータとして静電容量と圧力の関係を表わしている。静電. Frequency(MHz). 容量には圧力にたいしてヒステリシス特性を示し減圧時は加圧時よりも大きな. 図2-6. ポリエチレンTan. 6 の圧力係数. 値であるが、圧力O. kgfycm2では５℃と１０℃の場合を除き加圧前後の値は同じ. となっている。また、５こと１０℃の場合2. 0 kgf7cm2以下では圧力に対する変. 化量が大きくなっているが、これはケーブルの外部導体と絶縁体間の空隙の影 響であると推定される。 Tan∂圧力係数の実験式として. Ｉ. ∂7nδ. ㎜･J. 7imδ. ＝23×10￣≒3,4×10￣ツー3.3×10￣8戸（りび’IC. 545.6. ｢）（5℃）（2.8）. ∂7?. ＝5.4×10￣5. 十1.0×10￣ツ（友好￣1（7. ｢）. ぷ717,7δ. 7a∂. -. ＝5.6×10’5＋HX10’ワ（4ぴ-lc. ｢）. ∂/，. （ｆ：ＭＨｚ、９≦ｆ≦６４）. （10℃）（2.9）. （20°C）（2.10）. (jd)a3ungd9. 1 ∂7皿δ -7nδ ∂μ. 545.5. 545.4 ０. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. Time(mlnute) を得た。. 図2-7. 31. 加圧前後の静電容量の時間的変化. 32.

一. 図2-9は空隙の影響を受けない２０ｋ峠cm2以上の加圧時における各種試料の 静電容量圧力係数の温度依存性を示している。これより圧力係数の実験式とし 552. て. 550. １∂Ｃ -. ＝（2.79十〇.0158r）×10￣5（んが･￣lc. ｢）. Ｃ∂μ にＩ︶. 5421. を得た。ここで、Ｔは温度（cC）である。 5401. 538. 536 ０. 100. 200. Hydraulic. 300. 400. 500. 600. ２．４．３. pressure（kgf/cm2）. ケーブル絶縁. の圧力特性. ケーブル絶縁体外径の圧力による変形を差動トランス形電子マイクロメータ を用いて測定した。図2･10は測定系の構成を示している。高圧下での測定系の. 図2･8. 静電容量の圧力特性. 安定性についてはステンレス鋼円柱を試料として用い変化の無いことを確認し た。. ×. luapUJ9();)JnssgJd. ３. ４. ３. ２. 10’. 5(1/kgf/cm2). 圧力管 O. 差動}ﾗﾝｽ形電子 ﾏ付口粉夕へず. .一楽. 漸. ３ 々＿一一一一‘ ひ一一￣￣'‘ 2. ８ ，. 2. ６. 2. 5 mctcr. ４. ，. cable. 100. 0 2. 100. ２ ，. meter. meter. cable. N0.1. X cable. N0.2 差動ﾄﾗﾝｽ形電子 ﾏｲ呻ﾒｰﾀﾍﾂ}゛. ･一介･. ２. ０. ５. 10. 15. 20. 25. Temperature 図2-9. 静電容量圧力係数の温度特性. 33. 取り付け台. 図2･10. 測定試料. ｹｰﾌﾞﾙ絶縁体外径圧力特性の測定系. 34. (2.11).

-. ×10￣5（1/kgf/cm2）. -0.5 ２. ｒ ０. luapUJa();)9JnssgJd. ｔ ０ ｅＯｓ ０ ０. ︵き︶乱目后むちＥ１︷︸. 50. ０. 100. 150. 200. 250. 300. Hydraulic pressure（kμ/cm2）. 図2･11. 絶縁体外径の圧力特性. 1.5. １. Direct measurement. capacitancc ＆. diclccLric conslant. 心. 0.5. From. 米. Calcurati()n ０. 0. 5. 10. 15. 20. 25. Temperature(℃). 図2-12. 絶縁体外径圧力係数の温度依存性. 図2-11は１０℃における測定結果を示す。絶縁体径は加圧時には圧力ととも に直線的に減少し、減圧時にはヒステリシス特性を示している。ケーブル絶縁. 図2-12に、遊動トランス形電子マイクロメータを用いた測定結果とあわせて示. 体外径の圧力係数の実験式として. す。図より両者は良く一致していることがわかる。 海底同轍ケーブルの内部導体のヤング率はケーブル絶縁体のそれに比べて２. 土 ∂ 尚 ＝-（1.14十〇.01137）×10￣5（岐μlc ｢） − 一 め ∂ /7. (2.12). けた以上大きいのでケーブル径よりも充分に長いケーブルの絶縁体径の水圧変 化を考える場合、絶縁体は径方向のみに変形し軸方向には変形しないと考えら れる。この条件のもとで絶縁ポリエチレンを一種の流体と考えると、ケーブル. を得た。ここで、Ｔは温度（℃）である。. 絶縁体外径の圧力係数は絶縁ポリエチレン単体の比体積Ｖ（又は密度岫の圧. ケーブル絶縁体外径の圧力係数は、内部導体外径が水圧により変化しないと. 力係数を用いて下火で表わされる。. 仮定すると静粛容量及び絶縁体誘電率の圧力係数と次式の関係にある。 上. １a j2. d。 ∂戸. １∂￡. ＝(ニ. ￡∂Ｐ. １∂Ｃ )】n(dJd、). 一一. Ｃ∂. (2.13). ∂. − j2 ∂. Ｉ∂ｙ. ｊ ，. 1＝0.511−(dj /7. dl)2}宍 Ｖ∂Ｐ (2.14). /ﾌ 一 一. -oj{1−Qdj d2}勺左 ρ. 式(2.13)を使って、ケーブル絶縁体外径の圧力係数を静電容量と絶縁体誘電率の 圧力特性の測定結果から間接的に求めることができる。. 絶縁ポリエチレン単体の体積Ｖの圧力係数として、文献９の値を用い上式によ り求めたケーブル絶縁体外径の圧力係数を図2d2に破線により併せて示す。計. 35. 36.

-. ２. 0.6. 算結果は測定結果と良く一致している。. ぐ. O､4. ｊ. 0.2. ０ ０. ２．４．４. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 匪. 位相定数および誘電率の圧. −. Hydraulic. ケーブル長１００ｍの試料２本について,水圧(０,２５０,５. pressure（㎏f/c. ｢）. ０ ０ｋｇｆｙｃｍ２)と温. 度(５，１０，２０℃)をパラメータとして，位相定数の圧力特性を評価した。. 図2-13. (％)asplulzlsucx4p￥!(1. 0.6. Ｉ. 扱うよりは一種の流体として考える方が妥当であることがわかる。. ０. におけるポリエチレンの変形を考える場合には、ポリエチレンを弾性体として. り乙. 以上に示したそれぞれ２つの方法による測定結果と解析結果から、高水圧下. 0.8. ０. １×１０-４のオーダーとなり、実測値よりも１桁程度大きな値となった。. ４ つＪ. 特性を解析している。これによりケーブル絶縁体外径d2の圧力係数を求めると. 0.5. ０ ０. (％¥iuaplutlss ua cl xd 3. 一方、文献１０では絶縁ポリエチレンを弾性体と仮定して材料力学的に圧力. 加圧・減圧時の位相定数（誘電率）の履歴特性. 図2-13に位相定数の圧力特性を示す｡位相定数は圧力とともに直線的に増加し， 減圧時にはヒステリシス特性を示し加圧時よりも大きな値となっている。加圧. 馬＝2頑ｽ（rad. 時の位相定数の圧力係数の実験式として. １︼β. ∂ β. ＝（0.955十〇.0059ST）×10゛（ねび￣Ir − − ∂ μ. ｢）. (2.15). Ｅ. ：絶縁体の比誘電率. E o. : 8.8542 × 10￣7（F/m）. μ. を得た。ここで、Ｔは温度（℃）である。. ﾀﾞH乙ｊ瀬. :47r. x10￣7. (2.17). （H/m）. これより、絶縁体の比誘電率εは測定されたβdから. 回勅ケーブルの位相定数βは周波数ｆに比例する項と石￣に比例する項との和 として下式で与えられる。. ￡ニ227659×1015βノ. β１＝民Ｕ＋βス否￣尚尚. (2.16). (2.18). で与えられる。なお、ＭＨｚ以上の高周波領域では位相定数列邨dfのみで近似 できるので(βdfはp｡､『Fの数百倍以上』、βdは高精度で測定できる。. ここで、上式の第一項の係数βｄはケーブル径等の構造パラメータを含まずケ ーブル絶縁体の比誘電率のみの関数として次式で与えられる。. 上記方法によりケーブル絶縁体（ポリエチレン）の比誘電率の温度及び加圧 時の圧力依存性を表わす実験式として式（2.19）を得た。. 37. 38.

-. ２．５ ￡. 一 一. (2.19). 2.30999−0.0008416r十(4.423十〇.0256r)/7×10￣5. 考察. ２．５．１. ヒステリシス特性に関する. 章 一. 海底回勅ケーブルの静電容量、絶縁体コア径、位相量(誘電率)には圧力に ここでＴは温度（℃）、Ｐは圧力（k峠em2）である。また、図2-14にポリエチ. 対してヒステリシス特性があることが観測された。この現象はケーブルの絶縁. レン誘電率の圧力係数を示す。加圧時の誘電率圧力係数の実験式として. 体に使用されているポリエチレンの密度に圧カヒステリシス特性があり、これ に起因する誘電率の圧カヒステリシス特性に原因があるものと推定される。そ. １ ∂ ￡ − 一 一 ＝（L91十〇.0119nx1 ￡∂ 戸. ･（たが￣lc. (2.20). ｢）. こで、圧力特性を密度と静電容量、密度と位相量との関係としてとらえるため 以下に示す実験を行なった。 絶縁体密度ρの変化分は、式(2.12)、式(2.13)の関係を用いて静電容量及び誘. を得た。ここで、Ｔは温度（℃）である。. 電率の電気特性のみの測定値から下式により求めることができる。. 21n(dリｄ、) 吉≒ ρ {1−(djd!)勺. 子. 一一. AE ε. ）. (2.21). ×10゛（1/kgf/cm2） 2.2. a) JnssaJd luapUp(x. 誘電率の変化分△Ｅ／εは海底回勅ケーブルの両端を短絡して構成した同軸 共振器の共振周波数ｆ，の変化分から. 2.1. AE -. ２. 1.9. 。-2.監 j7，. (2.22). の関係を用いて簡易に測定できる。 絶縁体の密度、静電容量および誘電率の関係を調べるため以下に示す実験を. 1.8 ０. ５. 10. 15. 20. 25. Temperature(℃). 行なった。. １００ｍ長のケーブル２本について、第一の試料は静電容量を、第. ニの試料は共振周波数をそれぞれの試料について同一の圧力、温度および時間 に測定した。図2-15は絶縁ポリエチレン密度のヒステリシス特性を、回2-16は. 図2･14. ポリエチレン比誘電率圧力係数の温度依存性. 圧力を媒介変数として静電容量の変化と絶縁ポリエチレン密度変化との関係を、 図2-17は圧力を媒介変数として誘電率の変化と絶縁ポリエチレン密度変化との 関係を表わしている。. 39. 40.

＝−〃. ２．５．２. − Ｄ. ポリエチレン誘電率の圧力特性に. する. ︵？︶9jumpxl!suj go pFlnsul. 察. 従来、ポリエチレン単体では精度の高い誘電率測定が困難であることから、 無極性常誘電体の誘電率と密度との関係式として知られているClausius-Mosotti の式を用いて、ポリエチレン密度の圧力特性の測定値から誘電率の圧力特性を 推定していた（8≒ 0.5. 今回、ケーブル位相特性の圧力依存性からポリエチレン誘電率の圧力特性が明 らかとなったので、式（2.23）で与えられるClausius-Mosottiの式（ロ）の有効性に ０ ０. 100. 200. 300. Hydraulic. 図2-15. 400. 500. 600. ついて検討する。. pressure (kμ/cm2). 加圧・減圧時のﾎ個ｴﾁﾚﾝ密度の履歴特性. ￡−１ ε十２. 1.4. Gd)nungud"J). 10j00. 10,250. 10,200. 式(2.23)により、ポリエチレン密度戸が0.92g/em3近傍の誘電率の密度依存性を 求めると １一￡. ０. 0.5 lnsulator. 1. ０. ５. (2.23). Ｅ：誘電体の比誘電率、ＥＯ：真空の誘電率. 10.150 ０. ｐ. 3Eo肘. ρ：密度、Ｎ：アボガドロ数、Ｍ：分子量α：分子の電子分極率、. Ｌ １ ０ ０ ０ ０ (%Muapmsx4p￥KI. 10,350. Ｎａ. 0.5. １. 1,5. ∂ ￡ − − ＝0.88 ａ. (2.24). （S￣la11）. ρ. lnsulator densilyc hange(%). densily change(凭). 図2-17誘電率と絶縁体密度変化. 図2-16静電容量と絶縁体密度変化 の関係. の関係. これらの実験結果より①ポリエチレン密度には圧カヒステリシス特性があるこ. が得られる。これに対して実測値は. １∂ ￡ ＝0.80 （g −− ε∂ ρ. C7773. ）. (2.25). と、②静電容量と誘電率は圧力の増加、減圧に関係なくポリエチレン密度と１ 対１で対応していることが明かとなった（3≒. となり、計算値の方が実測値よりも１０％ほど大きくなっている。この原因は。 ポリエチレンは気体と比較して密度が大きいので各分子の電荷が重なりを考慮 する必要があるためであると考えられる。文献（１１）では電荷の重なりを考 慮した式（2.26）を提案している。. 41. 42.

-. １. ａ￡. ε−Ｘ. (2.28). ＝9.3×10. −. ε∂（lo， gl(け). Ｎａｐ. (2.26). 一一 − ｙＥ十（3−y）3EOM. となった。 ７：局所電界の定数、. ρ：密度、Ｎ：アボガドロ数、Ｍ：分子量. α：分子の電子分極率、ε：誘電体の比誘電率、. ＥＯ：真空の誘電率. 高圧力下の静電容量についても、加圧後１時間以上経過すると1oglotに対し て直線的に変化した（2≒また、文献（９）では圧力下のポリエチレン比体積 Ｖの変化特性（圧縮クリープ）を測定しており静電容量や誘電率と同様1oglot. なお、上式で局所電界の定数アを１とするとClausius-Mosottiの式が得られる。. に対して直線的に変化する結果が得られている。この圧縮クリープの原因とし. ポリエチレン誘電率の密度依存性の実測値から局所電界の定数ｙを推定すると. て、ポリエチレンは半結晶性のプラスチックであり結晶相と非結晶相の境界に 自由体積と呼ばれる空隙が存在し、これが高水圧下で徐々に縮小するためであ. 一. ア. 一. (2.27). 0.7. ると考えられている（9≒. となった。 前節の検討からポリエチレン誘電率εの圧力特性はﾋｽﾃﾘｼｽ特性を含めて密度 だけの関数となっている。しかしながら、誘電率と密度を関係づけるClausiusMosottiの式の精度は不十分であり､局所電界の常数を１としない式(2.26)を適用 0,05. する方がより正確であることが明かとなった。. 高水圧下の長期特性変動の推定. ︵貳苓詞召目１８. ２．５．３. 0.04. O､03. 高水圧下における電気特性の長期的変化を調査するため、38mm海底同軸ｹｰ. に渡り測定を行なった（12≒ 図2-18は温度１０℃においてＯから500k峠cm2まで加圧した後の誘電率の. yp;9(1. ﾌ勺ﾚ関して静電容量について約１ ０ ０時間（3へ誘電率について約５０００時間. 変化率を時間軸を対数目盛にしてプロットしている。誘電率は1oglotに対して. 0.02. 0.01. ０ ３. 直線的に変化している。. 1oglotに対する傾きを求めると. 30. 100. 300. 1,000. 3.000. 10,000. Time(hour). 図2･18. 43. 10. ﾎ個ｴﾁﾚﾝ比誘電率の高圧力下での経時変化. 44.

〃一犬. ２．６. むすび. 次に、高水圧下における減衰量の時間的変化を5000時間までの誘電率変化率 の測定結果から推定する。水圧による減衰量の変化は主にケーブル絶縁体外径. 海底回勅ケーブルの圧力特性について述べた。減衰量は水圧により増加し、. と誘電率の変化により決まる。ところで、誘電率の長期変化の原因がすべて絶. その増加量は周波数により異なることを明らかにした。例えば、水深5000mの. 縁体密度の変化によるものと仮定すると、絶縁体外径の変化率は、式(2.14)、式. 深海底では陸上における値よりも10MHzで1.1％、60MHzで1.6％程増加する。 ケーブルの諸特性から従来明確ではなかった高圧力下における絶縁ポリエチ. (2.25)より誘電宰の変化率から下式の様に推定できる。. レンの誘電特性（誘電率、tan∂）を明らかにした。 上 屯. ぶ屯 ∂（log/）. ＝-0.62511−りI/屯)勺. 1 ∂ε -一 ０￡∂(1oglけ). ケーブルに水圧を加えると急激にケーブル特性が変化するが、約１時間で変 (2,29). ＝一石×10￣5. 化の速度は極端に小さくなる。. １時間経過以降は時間を対数目盛りで表わすと. ほぼ直線的に変化するので、外挿により数年後の変化分を推定できる。例えば、 布設後１時間の変化量は布設後２０年間の全変化量の９５％に達する。. 従って、誘電体損失の影響を無視できる低周波における減衰量の変化率は下式 これらの検討結果は、海底回勅伝送方式の方式設計に適用されている。 のようになる。. １. ∂α. −. a∂（1ogバ）. Ｉ. -. ∂ε. {言 2￡∂（1oglバ）. 十一 d1. １. 1n（ｄリd1万）jl ＋ j2. 言. ∂屯 ∂（1og1バ）. ｝ご （2,30）. ，1XIO￣4. 例えば、水深５０００ｍの海底に布設する場合を考えると、布設後１時間から 布設後２０年間の減衰量変化（△α／ａ）は約０．０６％と推定される。すなわ ち､布設後わずか１時間の変化量（約１％）は布設後２０年間の全変化量の95％ に達することになる。. 45. 46.